Дәріс. Токтар күштерін және кернеулерді өлшеу

Дәрістің мазмұны: токтар және кернеулерді өлшеу кұралдарын таңдау факторлары; токтар және кернеулерді өлшеу қателіктері; токтар және кернеулерді өлшеу диапазондары.

Дәрістің мақсаты: тұрақты және айнымалы токтар және кернеулерді өлшеудің негізгі әдістерін оқу, ток күштерін және кернеулерді әртүрлі диапазондарда өлшеу қателіктерінің көздері.

Өлшеуге жататын токтар және кернеулер ең көп таралған электрлік шамалар болып табылады. Осыған сәйкес өндірісте шығарылатын токтар және кернеулерді өлшеу кұралдардың номенклатурасы өте кең. Өлшеу құралдарды таңдау келесі факторлар жиынтығымен анықталады: өлшенетін шаманың талап етілетін өлшемімен, ток түрімен (тұақты немесе айнымалы), жиілігімен, керекті өлшеу дәлдігімен, эксперимент жүргізу шарттарымен (зертханалық, өндірістік, далалық және т.б), сыртқы әсер ету шарттарымен (температура, магниттік өріс, діріл) жәнә басқалар.

Кернеулер мәндері әдеттегідей тура өлшеулер арқылы анықталады, токтарды – тура өлшеулерден басқа, жанама өлшеулер жиі қолданылады - өлшенетін ток тізбегіне қосылған белгілі R кедергісі бар резистордағы кернеу кемуі U өлшенеді. Ток мәні Ом заңы бойынша табылады: 1_X=U/R. Бұл жағдайда өлшеу нәтижесінің қателігі кернеуді өлшеу қателігімен және R кедергісінің номиналды мәнінің шындық мәнінен ауытқуынан пайда болатын қателігімен анықталады. Қателік , жанама өлшеулер кезіндегі бақылау нәтижелерін өңдеу ережелері бойынша табылуы мүмкін [14].

Токтар және кернеулер өлшеуі әрқашан қателігімен еріп жүреді – оған себеп болатын қолданылатын өлшеу құралдың кедергісі. Зерттелетін тізбекке өлшеу құралдың қосылуы сол тізбектің режимын бұрмалайды. Мысалы, 7.1 суретте көрсетілген тізбекке кедергісі бар амперметр қосылған болса, онда амперметр қосылғанша бұл тізбекте I=U/R тоғы ағуының орнына амперметр қосылғаннан кейін = U/(R + R_A) тоғы ағады. Амперметр кедергісі неғұрлым үлкен болса, согұрлым қателік үлкен болады. Кернеуді өлшеген кезде де сондай қателік пайда болады. Мысалы, 7.2 суретте көрсетілген тізбекке R_v кедергісі бар вольтметр қосылса, онда а және b нүктелердің арсындағы кернеуді өлшеген кезде тізбек режимі бұзылады. Себебі, вольтметр

7.1 сурет – Токты амперметрмен 7.2 сурет – Кернеуді вольтметрмен

өлшеу сұлбасы өлшеу сұлбасы

қосылғанша сұлбада болған кернеудің орнына, вольтметр қосылғаннан кейін кернеу

. (7-1)

Вольтметр кедергісі неғұрлым кіші болса, соғұрлым қателік үлкен болады.

Өлшеу құралдар кедергісінің жанама көрсеткіші болып қуат табылады – ол өлшеу жасалынатын тізбектен құралмен тұтынылады. R_A кедергісі бар амперметрден I тоғы ағатын болса, онда амперметрмен тұтынылатын қуат . Вольтметрмен тұтынылатын қуат өрнегімен анықталады, мұнда U — вольтметрмен өлшенетін кернеу, R_v— вольтметрдің ішкі кедергісі. Сондықтан, өлшеу жасалынатын тізбектен өлшеу құралмен тұтынылатын қуат неғұрлым кіші болса, соғұрлым токтарды және кернеулерді өлшеген кезде тізбектің режимын бұрмалағаннан пайда болатын қателік кіші болады. Токтарды және кернеулерді өлшеу үшін пайдаланатын өлшеу құралдар арасында өлшеу тізбегінен тұтынатын қуаты ең кіші болатын – компенсаторлар (потенциометрлер), электрондық және цифрлық аспаптар. Электромеханикалық аспаптар арасында қуатты ең аз тұтынатын магнитоэлектрлік және электростатикалық аспаптар.Компенсаторлардың өлшеу тізбегінен тұтынатын қуаты өте аз болғандықтан, олармен тек қана кернеулерді емес тағыда электр қозғауыш күштерін өлшеуге болады. Өлшенетін токтардың және кернеулердің ауқымы өте кең. Өлшенетін токтардың және кернеулердің барлық ауқымын үш диапазонға бөлуге болады: мәндері кіші, орта және үлкен. Өлшеу құралдарымен ең қамтамасыз етілген орта мәндерінің диапазоны (шамалап алғанда: токтар үшін— миллиампер бірліктерінен ампер ондықтарына дейін; кернеулер үшін — милливольт бірліктерінен вольт жүздіктеріне дейін). Дәл осы диапазон үшін токтар және кернеулерді өлшеуге жасалған өлшеу құралдарының қателігі ең кіші. Бұл әдейі істелген емес, себебі кіші және үлкен токтар мен кернеулерді өлшеген кезде қосымша қыиыншылықтар туады.

Қіші токтар және кернеулерді өлшегенде бұл қыиыншылықтарға себепші болатын – өлшеу тізбегіндегі термо-ЭҚК, өлшеу тізбегіндегі сыртқы кернеу көздерімен резистивтік және сыйымдылық байланыстар, сыртқы магниттік өрістің әсерінінен, өлшеу тізбегіндегі элементтердің шулары және басқа себептер. Өлшеу құралдың температуралық өрісі әркелкі болу себебінен әртүрлі металлдардың жалғану жерлерінде термо-ЭҚК пайда болады (өткізгіштерді дәнекерлеу және пісіру жерлерінде, қосқыштардың жылжымалы және жылжымайтын контакттарының жанасу жерлерінде және т.б.). Айтылған факторлар әсерін толық жою қолдан келмейді. Сондықтан кіші токтар және кернеулерді өлшеу үлкен қателікпен жасалынады.

Үлкен токтар және кернеулерді өлшеудің өз ерекшеліктері және қыиыншылықтары болады. Мысалы, шунттарды пайдаланып үлкен тұрақты токтарды өлшегенде шунттарда үлкен қуат таралады – соның себебінен шунттар едәуір қызады және қосымша қателіктер пайда болады. Таралатын қуатты азайту және қызуды жою үшін шунттардың габариттерін үлкейту керек немесе жасанды салқындату үшін арнайы қосымша шараларды қолдану қажет. Нәтижеде шунттар күрделі және қымбат болып шығады. Үлкен токтарды өлшеген кезде ток ағатын контактты жалғасулар сапасына қарау өте маңызды. Контактты жалғасудың сапасы нашар болса, ол тізбек режимін және, сондықтан, өлшеу нәтижесін бұрмалау ғана емес, тағыда контактты кедергіде таралатын қуат өте үлкен болғанынан контакттің күюіне әкелуі мүмкін. Үлкен токтарды өлшеген кезде ағатын токтан шиналардың төңірегіндегі күшті магниттік өріс өлшеу құралына әсер етеді, сондықтан қосымша қателік пайда болуы мүмкін.

Үлкен кернеулерді өлшегенде қызмет ететін персоналдың қаупсіздігін қамтасыз ету, тағыда изоляциядан ағатын токтан қателікті азайту үшін өлшеу құралда қолданылатын изоляциялық материалдардың сапасына қойылатын талаптарды көтеру қажет. Мысалы, егер өлшеу шектерін кеңейту үшін кернеу бөлгіш қолданылса, онда өлшенетін кернеу өскен сайын бөлгіш кедергісін көбейту керек. Үлкен кернеулерді өлшегенде бөлгіш кедергісі изоляция кедергісімен теңесуі мүмкін, бұл кернеуді бөлу қателігіне әкеледі, сондықтан, өлшеу қателігіне. Сөйтіп, үлкен токтар және кернеулерді өлшегенде, әдеттегі қателіктерден басқа, осы өлшеулердің өзгешелігімен шартталатын қателіктер пайда болады.

Өлшенетін шама өлшеміне тәуелді өлшеу қателіктердің мінездемелік өзгеруі 7.3 суретте сапалық көрсетілген (көріну үшін осьтер бойынша айнымалы масштаб қолданылады). Суретте өнеркәсіп шығаратын жұмыстық тұрақты ток өлшеу құралдары.

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшегенде өлшенетін шама жиілігі өте маңызды болып табылады. Өлшенетін токтар және кернеулердің жиілік диапазоны өте кең: герц бөліктерінен (инфратөмен жиіліктер) мегагерц жүздеріне дейін және одан жоғары.

7.3 сурет – Өлшенетін шама 7.4 сурет – Жиілікке тәуелді айны-

өлшеміне тәуелді тұрақты ток малы ток өлшеу қателігінің өзгеруі

өлшеу қателігінің өзгеруі

Айнымалы токтар және кернеулерді өлшеу құралдарына жиілік қателік тән, оған себепші болатын жиілік өзгеруіне байланысты өлшеу құралдың индуктивтік және сыйымдылық элементтер кедергілерінің өзгеруі, ферромагниттік материалдардың кайта магниттеуіне шығындар, өлшеу құралдардың металдық бөлшектеріндегі құйын тәрізді токтарға шығындар, зиянды индуктивтіктер және сыйымдылықтар әсері (жоғарғы жиіліктерде). Осы себептер барлық белгіленген жиілік диапазонында бірдей дөлдік алуға мүмкіндік бермейді. Айнымалы токтар және кернеулер өлшеу құралдарының құжатында міндетті түрде жиілік облысы көрсетіледі, мұнда осы құралдың өлшеу дәлдігі анық кепіл болады. Токтар және кернеулер өлшеу құралдары үшін жиілік өсуіне байланысты өлшеу қателігінің өсуі жалпы заңдылық болып табылады, оны жоғарыда көрсетілген себептерімен түсіндіруге болады. 7.4 суретте жиілікке тәуелді өлшеу қателіктердің мінездемелік өзгеруі сапалық көрсетілген (көріну үшін осьтер бойынша айнымалы масштаб қолданылады). Суретте өнеркәсіп шығаратын жұмыстық айнымалы токтарды өлшеу құралдары (миллиампер ондықтары).

Тақырып бойынша қосымша ақпаратты [4,6,8,9,12,13] әдебиеттен алуға болады.