ЕРВ

В умовах сучасного підприємства енергетичного профілю, де для ефективного контролю за технологічним процесом виробництва електричної енергії використовуються тисячі вимірювальних приладів, є окремі виробничі підрозділи, які забезпечують виявлення несправності, ремонт, а також післяремонтну повірку цих приладів. У таких підрозділах обов’язково є вимірювальні установки,на яких контролюють вимірювальні прилади як після ремонту, так і профілактично, через певний час. Це дає змогу користуватися тільки тими приладами, що забезпечують потрібну точність вимірювань. Найважливішими елементами цих вимірювальних установок є міри електричних величин: електрорушійної сили, опору, індуктивності, взаємоіндуктивності та ємності.

Для того щоб свідомо користуватися мірами, необхідно знати їх будову, умови експлуатації та ретельно виконувати умови їх зберігання та періодичної повірки органами Держстандарту.

Мірою електрорушійної сили (ЕРС) постійного струму є нормальний елемент, що має точно відому ЕРС. Нормальні елементи виробляють двох типів — насичені й ненасичені (залежно від стану залитого в нього електроліту — розчину сульфату кадмію).

Будову насиченого нормального елемента показано на рис. 3.1.

Елемент складається з Н-подібної посудини зі влютованими в неї двома виводами, що виконані з платинового дроту. Ці виводи контактують з електродами елемента. Позитивним електродом у цьому елементі є живе срібло , негативним — амальгама кадмію (розчин кадмію в живому сріблі).

Вище позитивного електрода міститься шар деполяризатора 2 (суміш сірчанокислого кадмію й сірчанокислого закису живого срібла). Електролітом 4 у цьому елементі є розчин сульфату кадмію у воді, кристали 5 якого осідають на деполяризатор 2 і на негативний електрод 7. У скляній посудині 3 є звуження б, призначені для утруднення перемішування шарів-компонентів елемента при випадкових нахилах. ЕРС такого елемента при температурі 20 °С перебуває в межах 1,0185...1,0187 В і надзвичайно незначно змінюється з плином часу (десь не більше як 50... 100 мкВ протягом року), але залежить від температури. Ця залежність відома для кожного елемента і не перевищує 42 мкВ на кожний градус у межах температури від 20 до 40 °С. Ці елементи мають досить великий власний внутрішній опір (500... 1000 Ом) і надзвичайно чутливі до нантаження. їх струм ні за яких обставин не повинен перевищувати 1 мкА протягом однієї хвилини. Саме через це Р ЕРС не можна контролювати вольтметрами (винятком можпь бути хіба що електронні вольтметри, які мають величину вхідного опору більшу ніж 106 Ом при границі виміру напруги 1...3 В).

Рисунок 3.1. Будова насиченого нормального елемента

Насинений нормальний елемент є надзвичайно чутливим до нахилів, струсів та вібрацій. В описах деяких із цих елементів, наприклад, обумовлено, що їх транспортування треба виконувати, тримаючи елемент на руках. Після будь-якого переміщення такого елемента він має відстоюватися на новому місці майже протягом доби.

Ненасичені нормальні елементи дещо відрізняються від насичених. У них електроліт при температурах, вищих за 4 С, — ненасичений, із нього не випадають кристали. Між електролітом і деполяризатором, з одного боку, і між електролітом і кадмієвою амальгамою — з іншого, встановлено тонкі коркові пористі перегородки, які перешкоджають перемішуванню шарів елемента при нахилах чи при транспортуванні. Ці (ненасичені) елементи мають трохи більшу ЕРС (при 20 С 1,0185... 1,0195 В), менший внутрішній опір (десь близько 300 Ом), допускають більший струм (до 10 мкА) і мають значно менший температурний коефіцієнт ЕРС (до 3 мкВ/ С).

Ненасичені нормативні елементи широко використовують як еталони ЕРС для калібрування багатьох точних переносних електронних приладів (в тому числі й переносних), тоді як насичені елементи використовуються лише в стаціонарних засобах вимірювання.

Нормальний елемент розміщують у захисному корпусі, найчастіше пластмасовому. Він необхідний як для захисту скляної посуди від механічних пошкоджень, так і для запобігання можливості появи різниці температур обох її частин та через це — появи неконтрольованої зміни ЕРС елемента. Встановлювати елемент необхідно в затишку, де немає протягів, які б спричиняли появу хоча б незначної різниці температур на сторонах захисного корпусу.

У будь-якому корпусі нормального елемента передбачено отвір для введення всередину термометра, що контролював би температуру повітря чи масла в місці розташування власне нормального елемента.

Нормальні елементи найвищого класу вміщують в металеві перфоровані корпуси, які, для забезпечення рівних температур обох частин елемента, занурюють у масляну ванну.

Як міри електричного опору використовують зразкові котушки опору, які виконують на основі резисторів з манганінового дроту чи стрічки.

Манганін — це сплав міді, марганцю й нікелю : домішкою алюмінію та заліза. Він має досить високій питомий електричний опір (0,47...0,48 Ом • мм²/м), зовсім малий температурний коефіцієнт опору і малу термо-ЕРС у з’єднанні з міддю (1 мкВ/К).

Високий питомий опір дає можливість виконати котушку з малою довжиною намотаного проводу. Малий температурний коефіцієнт опору забезпечує незначну зміну опор при зміні температури в місці вимірювань і незначну за лежкість опору котушки від величини струму.

Незначна термо-ЕРС у з’єднанні з міддю дає можливість вмикати котушку в які завгодно вимірювальні схеми, де з'єднання зроблено звичайним мідним дротом, без побоювання того що у місцях з’єднання під дією чи то місцевої температури довкілля, чи то нагріву їх струмом з’являться ^контрольовані термо-ЕРС, які призведуть до появи похибки у вимірюваннях.

Для порівняння зауважимо, що питомий електричний опір манганіну у 25 разів більший за питомий опір міді, температурний коефіцієнт електричного опору манганіну майже у 140 разів менший, ніж у міді, термо-ЕРС у з'єднанні манганін—мідь десь у 40...50 разів менша, ніж у з’єднанні міді з константаном.

Рисунок 3.2. Зразкова котушка опору

Будову зразкової котушки опору показано на рис. 3.2. Ізольований манганіновий провід чи стрічку 1 намотано на металевий чи керамічний каркас 7, жорстко закріплений на ізоляційній основі і, до якої також прикріплено захисний металевий кожух 2, два контактні затискачі 4 для вмикання котушки в коло струму і два контактні затискачі 5 для приєднання котушки до кола виміру напруги. Наявність у котушки чотирьох затискачів необхідна для вилучення з кола вимірювання напруги контактного опору затискачів, по якому протікає робочий струм котушки. Номінальним опором котушки вважається той, що знаходиться між місцями приєднання затискачів 5 до проводу, який намотано на каркас 7.

У більшості зразкових котушок ізольований провід намотано на каркас у дві паралельні гілки (біфілярно), причому початкові частини цих гілок приєднано до затискачів 4 і 5, а кінці 6 злютовано разом. Переносячи точки лютування кінцевої частини вказаних гілок, підганяють опір зразкової котушки до його номінального значення. Котушки номінального опору від 0,001 до 100 000 Ом виробляють з класами точності 0,01 та 0,02.

Клас точності котушки опору відповідає допустимому відхиленню (у відсотках) дійсного значення опору котушки від номінального значення її опору, за винятком котушок з класами точності 0,0005...0,01, для яких клас точності показує найбільшу величину зміни опору котушки за один рік, виражену у відсотках від номінального значення опору.

Всі зразкові котушки опору придатні до вмикання в кола постійного струму, але не всі вони придатні до роботи в колах змінного струму, де повний опір буде відрізнятися від їхнього активного опору через вплив залишкових індуктивностей і ємностей. Досвід показує, що такі котушки за їхніх малих номінальних опорів усе ж таки мають деяку залишкову індуктивність, яка при вмиканні котушок у кола змінного струму робить їхній повний опір більшим за номінальний. Стосовно котушок з великими номінальними опорами, то за наявності біфілярних обмоток, завдяки міжвитковим ємностям, активний опір котушки дещо шунтується цими ємностями, через що повний опір таких котушок дещо менший за їхній номінальний опір.

Одним із способів зменшення впливу міжвиткових ємностей на опір котушки є виконання її обмотки у два шари, з різним напрямом намотування кожного з цих шарів та паралельним вмиканням провідників, якими намотано ці шари.

У наш час вже вироблено серію зразкових котушок опору, здатних у своєму класі точності працювати у вимірних колах як постійного, так і змінного струму. Але найбільші граничні частоти, на яких можна використовувати ці котушки, як правило, різні для різних номінальних опорів.

Зразкові котушки опору виробляють лише на обмежені величини номінальних опорів. Причому кожна наступна величина номінального опору відрізняється від попередньої в 10 разів.

За практичного використання зразкових котушок слід мати на увазі що їх не слід перевантажувати струмом понад допустимий бо навіть при номінальному струмі котушки магнітний провід, з якого виготовлено її струмопровідну частину може нагрітися до температури, що перевищує 20 °С в результаті чого величина опору, незважаючи на незначний температурний коефіцієнт опору манганінового дроту може дещо змінитися й бути відмінною від тієї, яка була за малих струмів, близьких, наприклад, до 0,1 від номінального.

Для котушок, які розмішені у масляній ванні, зміна опору завдяки нагріву манганінового проводу номінальним струмом значно менша, що пояснюється незначною температурою нагріву цього проводу, зануреного в масло, де умови охолодження кращі, ніж за повітряного охолодження.

На енергетичних підприємствах у схемах перевірки електровимірювальних приладів потенціометрами найчастіше використовують зразкові котушки опору класів 0,02 чи 0,05.

У зв’язку з тим, що зразкові котушки опору виготовляють у обмеженій кількості типорозмірів за величиною опору, а в процесі вимірювань треба мати можливість користуватися каліброваними опорами практично якої завгодно величини (звичайно, все ж у якомусь обмеженому діапазоні величин опорів), користуються магазинами опорів. Такі магазини являють собою набір резисторів, зібраних у єдиному корпусі й підігнаних з необхідною точністю, і перемикальних пристроїв (штепсельних, важільних або з багатьма затискачами).

Будову штепсельного магазина опорів показано на рис. 3.3. Величина опору такого магазина, що є між двома крайніми затискачами 2 і 5, залежить від того, які зі штепселів 4 витягнуто з гнізд створеними контактними колодками 3, до яких прилютовані вихідні кінці кожного з резисторів. Такий магазин, що складається всього з дванадцяти резисторів 6, дає можливість одержати між його затискачами 2 і 5 величини опорів від нуля (коли всі штепселі встановлено у гнізда між контактними колодками) до 1110 Ом (коли всі штепселі витягнуто з цих гнізд), через один Ом.

При таких вийнятих штепселях, як показано на рисунку, величина опору магазина становить 457 Ом. Поряд із контактними колодками на панелі магазина є отвори, куди вставляють витягнуті штепселі. Ці отвори зроблено для збереження штепселів та запобігання їх втрати.

Крім магазина, показаного на рис. 3.3, можуть бути магазини іншої схеми, так звані декадні, де опорів дещо більше.

Рисунок 3.3. Штепсельний магазин опорів

Більш зручними в користуванні є важільні магазини опорів. Приклад будови такого магазина показано на рис. 3.4. Цей магазин складається з трьох декад резисторів, однакових у кожній декаді (наприклад, 1; 10 та 100 Ом). Кількість декад може бути й більшою (чотири, шість). Всі опори кожної декади ввімкнуті послідовно, а величина опору магазина залежить від положення важелів перемикачів, які лишають в електричному колі магазина ту чи іншу кількість ввімкнутих опорів. У більшості цих магазинів перемикачі сховано під верхньою панеллю магазина, над якою містяться лише ручки, закріплені на осях важільних перемикачів. Послаблення притискування ковзних рухомих контактів до нерухомих у таких магазинах може призвести до збільшення електричного опору між рухомим і нерухомим контактами, завдяки чому опір магазина збільшується порівняно з тим, що показують ручки важільних перемикачів. Це призведе до збільшення похибки магазина, особливо в тих випадках, коли на ньому виставлено малий опір.

У магазинах опорів, де остання декада складається з опорів величиною 10 000, 100 000 Ом або більше, через наявність малого проміжку між нерухомими контактами розташованими поряд, може недопустимо зменшуватися поверхневий опір діелектрика, з якого зроблено панель де змонтовано ці контакти. Це можливе, коли у проміжок між нерухомими контактами потрапляє металевий пил від зношування контактів при тривалій експлуатації магазина опору. Цей поверхневий опір зменшує опір між контактами та може суттєво зменшити точність опору магазина.

Рисунок 3.4. Будова важільного магазина опорів

Магазини опорів виробляють з класами точності 0,02, 0,05, 0,1, 0,2 і 0,5. Число, що позначає клас точності,— це найбільша допустима величина похибки опору магазина, виражена у відсотках. Цим же числом обмежуються величини додаткових похибок, які можуть статися при відхиленні умов його експлуатації від номінальних.

Зразкові котушки індуктивності використовують у схемах вимірювальних мостів та потенціометрів змінного струму. Їх виробляють з величинами індуктивності від 0,0001 до 1,0 Гн, причому кожне номінальне значення величини індуктивності наступного типорозміру в 10 разів відрізняється від величини індуктивності котушки попереднього типорозміру.

Кожна з цих котушок являє собою багатовиткову обмотку з мідного ізольованого проводу, намотаного на каркас з ізоляційного стійкого матеріалу, який щонайменше змінює свою форму та розміри з часом і через вплив зовнішніх чинників (наприклад, температури довкілля, вологи повітря).

За реальних умов виробництва каркаси виготовляють із порцеляни чи жорсткої пластмаси. Об’єктивне порівняння порцеляни і пластмаси дає можливість віддати перевагу першій хоча б тому, що коефіцієнт теплового розширення порцеляни майже вдесятеро менший, ніж у більшості пластмас. Звичайно, порцеляновий каркас дещо дорожчий за пластмасовий, але якість котушки, намотаної на порцеляновий каркас, вища.

Зважаючи на те, що зразкові котушки індуктивності використовують на змінному струмі, й частину — на струмах підвищеної, а то й високої частоти, де величина індуктивності котушки залежить від ефекту витіснення струму зсередини проводу на поверхню, їх доцільно обмотувати літцендратом — проводом, який складається з багатьох тонких провідників, кожний з яких вкритий емалевою ізоляцією, а всі разом — шовковою. Ці тонкі провідники переплетені між собою так, що на певній довжині проводу кожен із них перебуватиме майже на однакових відрізках довжини як у центрі перерізу проводу, так і на його периферії. Завдяки цьому ефект витіснення струму буде практично відсутній.

Будову зразкової котушки індуктивності показано на рис. 3.5, де 1 — це каркас котушки, 2 — обмотка котушки, 3 — затискачі, до яких приєднано початок і кінець проводу обмотки.

Слід зазначити, що в цих котушках індуктивності при роботі на відносно малих частотах, близьких до 50 Гц, чималу частину їхнього повного опору становить активний опір. Завдяки цьому добротність котушок, яка дорівнює відношенню реактивного опору до активного, загалом невелика й може не перевищувати 1,5 за індуктивності котушки 1 Гн при частоті струму 50 Гц. Майже такою ж буде й добротність решти котушок того самого розміру, але меншої індуктивності.

Котушки індуктивності, подібні зображеній на рис. 3.5, мають ще один істотний недолік — за наявності зовнішнього змінного магнітного поля в їхніх обмотках виникає ЕРС, величина якої залежить від величини магнітної індукції цього зовнішнього поля, величини кута між віссю котушки і напрямом дії поля та від величини частоти. Величина цієї ЕРС непередбачувана, бо дві перші величини впливу (а то й усі три) заздалегідь невідомі, й тому ця ЕРС може значно спотворити результати вимірювань за схемою, до якої ввімкнуто таку зразкову котушку.

Рисунок 3.5. Котушка індуктивності

Екранування таких котушок від дії сторонніх магнітних полів неможливе, бо екран впливатиме на величину власної індуктивності зразкової котушки й, головне — зробить величину індуктивності цієї котушки залежною від частоти струму, який проходить по витках котушки

Якщо ж очікуване магнітне поле в місці розташування котушки рівномірне, то, використовуючи >астатичну зразкову котушку індуктивності, можна позбутися шкідливої дії стороннього магнітного поля. Астатична котушка складається з двох однакових частин, з’єднаних послідовно. Ці частини створюють власні магнітні потоки у взаємно протилежних напрямах. У таких котушках під дією зовнішнього рівномірного поля, тобто такого, яке має однакову індукцію в усіх точках простору, де розмішено вказані дві котушки, в обох виникають однакові ЕРС, які діють протилежно одна одній і, завдяки цьому, взаємно компенсуються.

Зробивши котушку індуктивності тороїдальною, можна позбутися шкідливого впливу рівномірного зовнішнього поля. Таку котушку рівномірно намотують на тороїдальну основу з діелектрика. Зрозуміло, що наведена дією зовнішнього рівномірного магнітного поля шкідлива ЕРС у витках, розміщених з одного боку тороїда, завжди буде компенсована такою ж ЕРС, наведеною у витках, розташованих з іншого боку тороїда.

Однак зауважимо, що й в астатичній конструкції, й в тороїдальній величина добротності котушок індуктивності буде дещо меншою, ніж у звичайних.

Для того щоб мати зразкову індуктивність змінної величини, створено магазини індуктивності. За своєю будовою вони схожі на важільні. У цих магазинах активний опір не залежить від величини індуктивності. Це досягнуто за допомогою додаткових активних резисторів, що вмикаються тими ж самими перемикачами, які змінюють величину індуктивності.

Зразкові котушки взаємоіндуктивності виготовляють на величину взаємоіндуктивності від 100 мкГн до 10 мГн. Як і котушки індуктивності, їх виконано на жорстких ізоляційних каркасах у вигляді двох паралельно розташованих котушок індуктивності, що розділені ізоляційною перегородкою. Зовнішній вигляд такої котушки та її розріз показано на рис. 3.6. На жаль, при такому виконанні котушки коефіцієнт зв’язку між її обмотками відносно невеликий і досягає лише величини близько 0,3.

Набагато більшим буде коефіцієнт зв’язку при намотуванні обох обмоток двома паралельними ізольованими проводами. У цьому разі зовні котушка мало відрізняється від котушки індуктивності, хіба що наявністю чотирьох затискачів, до яких приєднано кінці обмоток. При такому виготовленні котушки коефіцієнт зв’язку між обмотками буде близьким до одиниці, й котушка на певну величину взаємоіндуктивності буде економічнішою як за об’ємом, так і за витратами проводу, ніж та, що показана на рис. 3.6. Але наявність значної ємності між обмотками через ізоляцію проводів суттєво утруднює роботу таких котушок на підвищених частотах і за наявності різниці напруг між обмотками.

Зразкові міри ємностей виконують як конденсатори постійної ємності з повітряним чи твердим діелектриком (переважно слюдяним). У разі необхідності використання багатозначних мір ємності застосовують повітряні конденсатори змінної ємності або магазини ємностей з конденсаторами, що мають твердий діелектрик.

Рисунок 3.6. Котушка взаємоіндуктивності

При проведенні практичних вимірів зразкова ємність має бути багатозначною. У таких випадках зручно користуватися саме магазинами ємностей, які можуть бути штепсельними або декадними з перемикачами. Ці магазини виготовляють на основі конденсаторів з твердим діелектриком. Найбільш досконалими, точними і довговічними є магазини зі слюдяними посрібленими конденсаторами. У таких конденсаторів кожну слюдяну платівку посріблено з двох сторін, завдяки чому з активної зони конденсатора вилучено ділянки, де може залишатися повітря чи волога, що знижують якість конденсатора. Серед твердих діелектриків слюда має найвищу пробивну 13 напруженість електричного поля (до 80 кВ/мм). Тому товщина пластівців слюди у конденсаторі, виконаному на задану напругу, може бути меншою, порівняно з іншими діелектриками. Величина діелектричної проникності слюди мусковіта досить велика. Все це Дає можливість зосередити в одиниці об’єму найбільшу величину ємності порівняно з іншими, стійкими до впливу зовнішніх чинників, твердими діелектриками.

Зовнішній вигляд магазина ємностей наведено на рис. 3.7. Третій затискач тут з’єднано з корпусом магазина. Його необхідно підімкнути до заземлення. Щоб зменшити рівень перешкод, які можуть впливати на точність вимірювань, у схемі, до якої буде приєднано магазин ємностей, бажано заземлювати і один із затискачів ємності магазина.

Рисунок 3.7. Магазин ємностей