Электр Өлшеу ҚҰрал–жабдыҚтарыныҢ Әдістері.
1. Электр өлшеу құрал–жабдықтарының әдістері.
2. Тоқ күшін өлшеу.
3. Кернеуді өлшеу.
4. Кернеуді өлшеу.
5. Электр энергиясын өлшеу.
Өлшеу – құрал-жабдықтары мен принциптерін қолдануды қабылдау жиынтығынан тәуелді болатын барлық әдістер, тікелей бағалау мен салыстыру әдістері болып бөлінеді.
Тікелей бағалау әдісінің маңызы өлшенетін шаманың бірлігінде немесе өлшенетін шама тәуелді болатын басқа шамалардың бірлігінде алдын ала градуирленген бір (тікелей өлшеу) немесе бірнеше (жанамалай өлшеу) аспаптардың көрсетулері бойынша өлшенетін шаманың мәндері жайлы қорытындылау болып табылады. Тікелей бағалау әдісінің қарапайым мысалы ретінде, қандайда бір шаманы өлшеу шкаласы осы шаманың бірлігіне сәйкес градуирленген бір аспапты алады.
Электр өлшеулердің екінші бір әдісі салыстыру әдісі деп аталатын біріктірілген әдістер тобы жатады. Оларға өлшенетін шаманы өлшемдікпен туындайтын шамамен салыстырған кезіндегі электр өлшеулердің барлық әдістері жатады. Сондықтан салыстыру әдістерінің айырмашылығы болып, өлшеу кезінде өлшемдіктің тікелей қатысуы есептеледі.
Салыстыру әдістері нөлдік, дифференциалдық, алмастыру және сәйкесті болып бөлінеді.
Нөлдік әдіс – өлшенетін шаманы өлшемдікпен салыстыру әдісі, бұл кезде шамалардың индикаторға әсерінің эффектісі нөлге дейін жетеді.
Тепе-теңдік болған кезде белгілі құбылыс жоғалады, мысалы тізбек бөлігіндегі тоқ немесе ондағы кернеу, осы мақсатта қолданылатын аспаптың нөл-индикатордың көмегімен анықталады. Нөл-индикатордың сезгіштігінің жоғарлығының салдарынан өлшемдік жоғары дәлдікпен орындалып, өлшеу де жоғары дәлдікте жүргізіледі. Нөлдік әдістің мысалы ретінде толық теңдескен көпірше схемасымен электр кедергілерін өлшеу болып табылады.
Дифференциалдық әдіс кезінде нөлдік әдістегі өлшенетін шама тікелей немесе жанамалай өлшемдікпен салыстырылады, ал өлшеу нәтижесінде өлшенетін шаманың мәндері туралы осы шамалармен бір мезгілде туындаған айырымы бойынша және өлшемдіктен туындаған белгілі шама бойынша анықталады. Осы себептен, дифференциалдық әдісте өлшенетін шаманың теңдесуі толық болмайды. Бұдан дифферениалдық әдістің нөлдік әдістен айырмашылығын қорытын-дылайды. Дифференциалдық әдіс тікелей бағалау әдісінің белгілі бір бөлігінен немесе нөлдік әдістің белгілі бір бөлігінен тұрады. Егер өлшенетін шама мен өлшемдіктің бір-бірінен айырмашылығы аз болатын болса, онда ол өте дәл өлшеу қорытындысын береді.
Мысалы, егер осы екі шаманың айырымы 1% тең болса және 0,1% қателікпен өлшенсе (өлшемдікті есепке алмаған жағдайда), онда ізделіп отырған шаманың өлшеу қателігі 0,01%-ға дейін азаяды. Дифференциалдық әдістің мысалы ретінде біреуі жоғары дәлдікпен белгілі, ал екіншісі ізделінетін шама болатын, екі кернеудің айырымын вольтметрмен өлшеу жатады.
Алмастыру әдісі – ізделіп отырған шама да, және осы аспаппен өлшенетін шама да біртекті туындайтын өлшемдіктерде кезектесіп өлшенумен қортындыланады. Осы екі өлшеу қортындысынан ізделіп отырған шама табылады.
Осы екі өлшеу сыртқы жағдайда бір аспаппен өлшенетіндіктен, ал ізделіп отырған шама аспаптың көрсетуімен анықталатындықтан өлшеу қорытындысының қателігі едәуір азаяды. Әдетте шкаланың әр түрлі нүктелерінде аспаптың қателігі бірдей болмайды, ал өлшеудің ең жоғары дәлдігі аспаптың бірдей көрсетулеріне байланысты болады. Алмастыру әдісін қолданудың мысалы ретінде, тұрақты тоқтағы ең үлкен кедергілердің басқарылмалы және үлгілік резисторлары арқылы өтетін ток күшін кезекпен өлшеу жатады.
Сәйкесті әдіс – өлшенетін шама мен өлшемдіктен туындайтын шаманың арасында айырмашылық болғанда шкалалардың белгісінің немесе периодтық сигналдардың сәйкес келуін пайдалана отырып өлшенеді. Бұл әдіс электрлік емес өлшеу тәжирбиелерінде кеңінен тараған. Мысалы, нониусты штангенциркульмен ұзындықты өлшеу жатады. Электрлік өлшеулерде мысал ретінде дененің айналу жиілігін стробоскоппен өлшеу жатады.
Енді өлшенетін шаманың уақыт бойынша өзгерісінің белгісі бойынша өлшеу класификацияларын көрсетеміз.
Өлшеу кезінде өлшенетін шама өзгере ме, әлде өзгеріссіз қала ма, осыған байланысты оларды динамикалық және статикалық деп бөледі.
Статикалық деп тұрақты немесе қалыптасқан мәндерді өлшеуді айтады. Оларға қалыптасқан режимде шамалардың нақты және амплитудалық мәндерін өлшеу жатады.
Егер уақыттан өзгеретін шамалардың лездік мәндері өлшенсе, онда бұл өлшеуді динамикалық өлшеу деп атайды.
Егер динамикалық өлшеу кезінде өлшеу құрал-жабдықтары өлшенетін шамалардың мәндерін үздіксіз тексеруін болдырса, онда бұндай өлшеулер үздіксіз деп аталады.
Қандай да бір шаманы өлшеу t1, t2 және т. б. уақыт кезеңдерінде оның мәндерін өлшеу арқылы жүзеге асырылады. Бұл жағдайда өлшенетін шаманың барлық мәндері белгілі болады. Бұндай өлшеуді дискретті деп атайды.
2. Тоқ күшін өлшеу
Тоқ күшін өлшеу үшін тұрақты тоқ тізбектерінде әдетте магнит электрлік, ал айнымалы тоқ тізбектерінде электр магниттік амперметрлер қолданылады. Амперметрлер олармен өлшенетін тоқ өтетіндей етіп, тоғы өлшенетін элементке немесе тармаққа тізбектей жалғанады (11.1, а-сурет).
Өлшенетін тоқ амперметрдің орамасы арқылы өтетіндіктен үлкен тоқтар үшін жуан сымдарды және қуатты қысқыштарды пайдалану қажет. Бұл амперметрдің габаритін үлкейтіп жібереді және өлшеу қателігін арттырады. Осы себепті үлкен тоқтарды өлшегенде шунт деп аталатын кедергісі өте аз, көлденең қимасының ауданы үлкен мыс сым қолданылады. Шунт тоғы өлшенетін элементпен тізбектеліп жалғанады да, амперметр шунтқа параллель жалғанады (1, б-сурет). Сондықтан тоқтың көбі шунтпен өтеді де, ал амперметрмен азғана бөлігі өтеді. Амперметр мен шунтта кернеудің түсуі бірдей болатындықтан
,
мұндағы Rш, Ra - шунттың және амперметрдің кедергілері; I, Ia - өлшенетін тоқ пен оның амперметр арқылы жүретін бөлігі (амперметрдің тоғы).
1-сурет
Осы теңдеуден өлшенетін тоқ
,
мұндағы тұрақты шама к - шунттау коэффициенті деп аталады.
Бұл теңдіктен белгілі шунттау коэффициентін пайдаланып, оған параллель жалғанған амперметрдің көрсетуі бойынша өлшенетін тоқтың мәнін анықтауға болатындығы көрініп тұр. Әдетте амперметрлердің шкаласы оған жалғанатын шунттың кедергісі ескеріле отырып өлшемденеді.
Айнымалы тоқ тізбектерінде аз мөлшерлі тоқтар амперметрдерді тікелей қосу, ал үлкен тоқтар тоқ өлшеуіштік трансформаторлары арқылы өлшенеді (2-сурет).
2-сурет
Тоқтық трансформаторларды пайдаланған кезде өлшенетін тоқ
мұндағы к1 - тоқтық трансформатордың трансформация коэффициенті; Іа - амперметрдің көрсетуі.
Әдетте амперметрлердің шкаласы тоқтық трансформатордың трансформация коэффициенті ескеріле отырып өлшемденеді.
Үш фазалы тізбекте желілік тоқтарды өлшеу үшін екі тоқтық трансформатор жеткілікті (2, б-сурет), өйткені үш фазалы тізбектің қасиеті бойынша
,
ендеше желілік тоқтар
, 
, 
,
мұндағы Іа, Ів, Іс - амперметрлердің көрсетуі.
Бұл жерде бір ескеретін жәйт - желілік тоқтарды келтірілген әдіс-пен өлшеу үшін қолданылатын тоқтық трансформаторлар бір типтес болуы керек. Егер бұл шарт орындалмаса, онда өлшеу нәтижесінде қосымша кателіктер пайда болады.
Фазалық тоқтарды өлшеу үшін әдетте үш тоқтық трансформатор қолданылады.
Амперметрлер тізбек элементіне тізбектей жалғанатындықтан, оларда кернеудің түсуі элементтің кернеуіне әсер етпейтіндей болуы керек. Осы себепті амперметрлердің, шунттардың, тоқтық трансформаторлардың кірмелік орамаларының кедергілерін өте аз етіп жасайды. Сондықтан амперметрлерді параллель жалғамайтынын, ал кездейсоқ параллель жалғанса оның тізбекті қысқа тұйықтайтынын ескерген жөн.
3. Кернеуді өлшеу
Кернеуді өлшеу үшін тұрақты тоқ тізбектерінде әдетте магнит электрлік, ал синусоидалы тоқ тізбектерінде электр магниттік, электр динамикалық, ферродинамикалық және термоэлектрлік вольтметрлер колданылады. Вольтметрлер кернеуі өлшенетін элементке немесе тізбектің бөлігіне параллель жалғанады (3, а-сурет), яғни оларға өлшенетін кернеу берілуі керек.
3-сурет
Аз мөлшерлі кернеулер вольтметрлерді тікелей жалғау арқылы өлшенеді де, ал үлкен кернеулер қосымша кедергінің көмегімен өлшенеді (3, б-сурет). Қосымша кедергі ретінде вольтметрге тізбектей жалғанатын резистордың кедергісі пайдаланылады. Қосымша кедергі мен вольтметр арқылы бір тоқ жүретіндіктен
мұндағы U, Ub - өлшенетін кернеу мен вольтметрдің кернеуі; Rқос, Rb - қосымша кедергі мен вольтметрдің кедергісі.
Бұл теңдеуден өлшенетін кернеу
,
мұндағы кернеу еселігі деп аталатын тұрақты шама 
Бұл өрнекпен өлшенетін кернеудің еселігін пайдаланып, вольметрдің көрсетуі бойынша анықтауға 6олатындығы көрініп тұр. Әдетте вольметрлердін шкаласы оған жалғанатын қосымша кедергінің шамасы ескеріліп өлшемденеді.
Бір фазалы (4-сурет) және үш фазалы айнымалы тізбектерінде кернеулерді олардың шамаларына қарай вольметрлерді тікелей жалғап немесе кернеу өлшеуіштік трансформаторлары арқылы өлшейді.
4-сурет
Үш фазалы тізбекте желілік кернеулерді өлшеу үшін екі кернеулік трансформатор жалғаса жеткілікті (5, а-сурет), өйткені желілік кернеулердің алгебралық қосындысы кез-келген уақытта нөлге тең болатындықтан өлшенетін желілік кернеу
Фазалық кернеулерді өлшеу үшін үш өлшеуіштік трансформатор қолданылады (5, б-сурет). Олардың кірмелік және шықпалық орамалары өзара жұлдызша жалғанады.
Кернеу өлшеуіштік трансформаторлар арқылы өлшенетін кернеу
,
мұндағы КU - кернeулік трансформатордың трансформация коэффици-енті; Ub - вольметрдің көрсетуі.
Әдетте кернеу өлшеуіштік трансформаторлары арқылы жалғанатын вольтметрлердің шкаласы трансформация коэффициенті ескеріліп өлшемденеді.
5-сурет
Вольтметрлер кернеуі өлшенетін элементке немесе тізбекке параллель жалғанатындықтан, олармен жүретін тоқ тізбектің тоғына әсер етпейтіндей аз болуы керек. Осы себепті вольметрлердің ішкі кедергісі өте үлкен етіп жасалады. Бүл вольтметрдің, тұтынатын қуатына да әсер етеді: кедергісі өскен сайын вольтметрдің тоғы азаятындықтан, оның қуаты да азаяды.
4. Кернеуді өлшеу
Тұрақты және айнымалы тоқ тізбектерінде қуатты әдетте электр динамикалық ваттметрмен өлшейді. Ваттметрдің тоқтық орамасы онымен қуаты өлшенетін элементтің тоғы жүретіндей етіп тізбектеп жалғанады да, кернеулік орамасы элементтің кернеуіне жалғанады. 6, а-суретте келтірілген схема бойынша РW1 ваттметрінің тоқтық орамасымен тізбектің толық тоғы (I) өтіп жатыр да, кернеулік орамасы тізбектің толық кернеуіне (V) қосылған. Сондықтан РW1 ваттметрі тізбектің толық қуатын көрсетеді. Ал РW2 ваттметрі тек қана R2 резисторының қуатын көрсетеді, өйткені оның тоқтық орамасымен осы резисторының тоғы (І1) өтіп жатыр да, кернеулік орамасы осы резистордың кернеуіне (U2) қосылған.
Қуаты өлшенетін элементтің кернеуі мен тоғының шамасына байланысты ваттметрдің кернеулік және тоқтың орамаларының өлшеу аралықтары реттеліп отырады. Сондықтан өлшенетін қуат төмендегі өрнек бойынша анықталады:
,
мұндағы UH - кернеулік ораманың номинал кернеуі; Iн - тоқтық ораманың номинал тоғы; N - шкала бөліктерінің толық саны; N/ - ваттметрдің нұсқама тілі керсеткен бөліктер саны.
6-сурет
Кернеуі және тоғы үлкен айнымалы тоқ тізбектерінде ваттметрлер өлшеуіштік трансформаторлар арқылы жалғанады (6, б-сурет). Бұл жағдайда өлшенетін қуат
мұндағы кІ, кU - тоқ және кeрнеу өлшеуіштік трансформаторларының трансформация коэффициенттері.
Кернеу мен тоқтың шартты оң бағыттары знергияның берілу бағытымен бағыттас деп алынатындықтан, ваттметрдің кернеулік және тоқтық орамаларының бастары кернеу көзі жағынан жалғануы керек. Сондықтан оларды көбіне өзара қосып жалғайды. Әдетте ваттметрлерде кернеулік және тоқтық орамалардың бастары жұлдызшамен (*) белгіленеді, ал схемаларда нүкте қойылады.
Үш фазалы тізбектерде активті қуат бір, екі немесе үш ваттметрмен өлшенеді.
Төрт сымды желіде активті қуат үш ваттметрмен өлшенеді: тоқтық орамалар олармен желілік тоқтар жүретіндей етіп, ал кернеулік орамаларға сәйкесті фазалық кернеулер берілетіндей етіп жалғанады (7, а-сурет). Бұлайша жалғаған кезде әрбір ваттметр фазаның қуатын көрсететіндіктен, желінің қуаты
,
мұндағы Рw1, Рw2, Рwз - ваттметрлердің көрсетулері.
Егер электр қабылдағыш симметриялы болса, онда қуатты бір ваттметрмен өлшеуге болады (7, б-сурет). Ваттметрмен желінің кез-келген бір фазасының қуаты өлшенеді де көрсетуі үшке көбейтіледі:
Үш фазалы желіде лездік қуат фазалардың лездік қуаттарының қосындысына тең:
. (*)
7-сурет
Үш фазалы тізбектің қасиеті бойынша
Бұл теңдіктен В фазасының лездік тоғы
Егер тоқтың осы мәнін (*) өрнегіне қойса, онда
. (**)
Фазалық кернеулердің айырымы желілік кернеуге тең бола-тындығы белгілі:
, 
.
Кернеулердің осы мәндерін (**) өрнегіне қойса, лездік қуат
.
Осы өрнек бойынша шамалардың лездік мәндерінен әрекеттік мәндеріне көшсе, онда тізбектің активті қуаты
Р=UAB ·IA cos (ÚAB, IA)+UBC · IC cos (ÚCA, IA)
8-сурет
Бұл өрнек үш сымды үш фазалы тізбектің қуатын екі ваттмермен өлшеуге болатындығын көрсетеді (8, а-сурет), яғни
Жалпы алғанда осы әдіспен үш сымды тізбекке екі ваттметр жалғаудың үш түрлі нұсқасы болады (8-сурет). Келтірілген схемалардың барлығында да ваттметрлердің тоқтық орамалары олармен желілік тоқтар жүретіндей етіп жалғанса, кернеулік орамалардың аяғы үшінші бос желімен жалғануы керек.
Үш фазалы тізбектерде реактивті куат ваттметрлермен немесе әдейі жасалған аспаптармен (варметрлермен) өлшенеді.
9-сурет
Реактивті қуатты ваттметрмен өлшеу үшін оны кернеуі мен тоғының фазалық ығысуы 
шартын қанағаттандыра-тындай етіп жалғау керек. Мысалы, ваттметрдін 9-суретте келтірілген жалғану схемасы және векторлық диаграммасы бойынша
Рж=UBC·· IAcos (UBC ,IA)=UBC ·IAcos(π/2-φ)=UBC ·I
Бұл өрнектен үш фазалы тізбектерде реактивті қуатты ватт-метрмен өлшеуге болатындығы көрініп тұр. Ол үшін ваттметрдің тоқ-тық орамасын желілік тоқ жүретіндей етіп жалғап, ал кернеулік орамасын осы тоқтан 
бұрышына қалып отыратын кернеуге жал-ғау керек. Бұл шарт үш сымды тізбек үшін де, төрт сымды тізбек үшін де орынды.
5. Электр энергиясын өлшеу
Бір фазалы және үш фазалы тізбектерде активті және реактивті энергия бір фазалы және үш фазалы индукциялық санағыштармен өлшенеді. Мұндай аспаптардың құрылысы мен жұмыс істеу принципі жоғарыда қарастырылған болатын.
Айналдырушы момент пен тежегіш моменті теңескен кезде
Бұдан дискінің айналу бұрышы
немесе 
, (***)
мұндағы п - дискінің айналым саны.
Осы өрнектен белгілі бір уақыт ішінде тұтынылатын энергия
,
мұндағы санағыш тұрақтысы деп аталатын тұрақты шама
.
Санағыш тұрақтысы дискінің толық бір айналымында қанша энергия тұтынылатынын көрсететін шама. Ол әдетте санағыштың бетінде жазулы болады.
(***) өрнегінен көрініп тұрғандай, дискінің айналу жиілігі тұтынылатын энергияға тура пропорционал. Ендеше тұтынылатын энергияны өлшеу үшін дискінің айналым санын санау керек. Осы мақсатта санағыш дискінің айналым санын керсетіп тұратын механизммен жабдықталған.
Есептегіштер тізбекке ваттметрлер секілді тікелей немесе өлшеуіштік трансформаторлар арқылы жалғанады. 10-суретте санағыштардың тізбекке тікелей жалғану схемалары келтірілген.
10-сурет
Үш фазалы санағыштардың құрылысы қуатты өлшеудегі екі ваттметр және үш ваттметр әдістеріне негізделген. Үш сымды тізбекке жалғанатын санағыштың құрылысы екі ваттметрдің элементтерін қамтиды, ал төрт сымды тізбекке жалғанатын санағыш үш ваттметрдің элементтерінен тұрады. Мұндай үш фазалы санағыштар екі элементті және үш элементті деп аталады. Үш фазалы санағыштарда екі немесе үш диск болады, бірақ олар бір оське орналасқан және бір санағыш механизммен жабдықталған. Сондықтан санағыштың таблосы толық энергияның мәнін көрсетіп тұрады.
Тақырыбы бойынша тестілік сұрақтар
1. Алмастыру әдісі дегеніміз не?
2. Сәйкесті әдіс дегеніміз не?
3. Дифференциалдық әдіс дегеніміз не?
4. Нөлдік әдіс дегеніміз не?
5. Салыстыру әдісінің қандай түрлері болады?
6. Тікелей бағалау әдісінің анықтамасын бер.
7. Электр өлшеу құрал–жабдықтарының әдістерінің түрлері қандай?
8. Айнымалы тоқ тізбектерінде аз мөлшерлі тоқтарды өлшегенде амперметр қалай жалғанады?
9. Айнымалы тоқ тізбектерінде үлкен тоқтарды өлшегенде амперметр қалай жалғанады?
10. Үш сымды тізбекте энергияны есептегенде қанша санағыш қолданылады?
11. Төрт сымды тізбекте энергияны есептегенде қанша санағыш қолданылады?
12. Қуат коэффициенті қандай аспаппен өлшенеді?
13. Генераторлық түрлендіргіштерге нелер жатады?
14. Параметрлік тұрлендіргіштерге нелер жатады?
15. Егер электр қабылдағыш симметриялы болса, онда қуатты өлшеу үшін қанша ваттметрмен қолданылады?
Лекция 30