> Техника, страница 94 > Электрические измерения

Электрические измерения

Электрические измерения охватывают широкую область измерений чисто электрич. магнитных и неэлектрич. величин. При измерении магнитных или неэлектрич. величин используют связь измеряемой величины с какой-либо электрич. величиной и, измеряя эту последнюю, по ней определяют искомую величину.

Электрические измерения. Измерения напряжения постоянного тока. Напряжения порядка 1СГ⁶ V м, б. измерены при помощи зеркальных гальванометров, однако при значительном потреблении тока (порядка 10~⁶ А). Ббльшие напряжения (10^-4—ΙΟ"² V) измеряют подвесными стрелочными гальванометрами и обыкновенными милливольтметрами. Напряжения порядка 10^-1—ΙΟ⁴ V измеряют обыкновенными вольтметрами магнитоэлектрич. системы; более высокие напряжения приходится измерять электростатич. вольтметрами, т. к. магнитоэлектрические потребляют слишком большую мощность от измеряемого напряжения. При измерении напряжения к зажимам цепи, между к-рыми имеется это напряжение, включают измеряющий прибор (вольтметр), при этом через прибор от источника напряжения проходит ток, создающий нежелательную потерю энергии от источника напряжения. Потенциометром, если он включается без посредства делителя напряжения, можно измерить напряжение без потребления тока от источника напряжения. В таком случае пределами измерения напряжения служат 0,1 mV и 1,8 V (числа дают порядок пределов измерения для большинства потенциометров). Вольтметры постоянного тока принадлежат гл. обр. к магнитоэлектрической системе и при напряжениях больше 600 V получают наружное добавочное сопротивление. Электромагнитные вольтметры применяются также при измерениях постоянного тока, они дешевле магнитоэлектрических, но потребляют больше энергии и являются менее точными (дают погрешность в 2% вместо 1 % у магнитоэлектрических). При измерении высоких напряжений, если измеритель нельзя заземлить, его помещают на изоляторе и защищают от прикосновения стеклом. Добавочное сопротивление помещают на изоляторе и корпус его не заземляют. Добавочное сопротивление д.б. помещено в недоступном прямому прикосновению месте. На незаземленных измерителях или добавочных сопротивлениях должен быть в таком случае поставлены условные знаки высокого напряжения (красная молния). При проверке вольтметров они соединяются параллельно между собой и образцовым вольтметром. Наиболее простой и удобной схемой является схема с трехконтактным реостатом (фигура 1); при помещении движка уточки А напряжение на зажимах вольтметров доходит до нуля. При измерении напряжения в отдаленном месте принимают во внимание сопротивление проводов, соединяющих вольтметр с тем местом, где измеряют напряжение, так как вольтметр показывает напряжение на своих зажимах или на зажимах самого прибора и у добавочного сопротивления, если последнее имеется. Измерение эдс источников напряжения возможно только при помощи потенциометров, включаемых непосредственно, т. к. при

Фигура 1.

	1 1 ί I	I 4
	Фигура 2.

этом от источника напряжения не берут никакого тока. Электростатич. вольтметры в этом отношении приближаются к потенциометрам, но их пределы измерения лежат значительно выше. Наименьшее напряжение, которое м. б. измерено электростатич. вольтметром, равно

5—10 V. При измерении обыкновенными вольтметрами, потребляющими ток, получается не эдс, а напряжение на зажимах, равное эдс за вычетом падения напряжения во внутреннем сопротивлении источника напряжения.

Измерение напряжения переменного тока. В большинстве случаев бывает необходимо измерить действующее значение напряжения. Для этой цели применимы вольтметры любых систем кроме магнитоэлектрической. Из-за малой чувствительности этих приборов представляется возможным измерить напряжения не меньше 1 V и то при значительном потреблении мощности (порядка 1— 2W). Верхним пределом измерения является 600 V. Практически напряжения в 500 V и выше измеряют при помощи измерительных трансформаторов (фигура 2). Измерителем является любой вольтметр переменного тока на напряжение около 100 V. На шкале вольтметра в таком случае очень часто указывают прямо величину первичного напряжения. Если это не сделано, показания вольтметра следует умножать на коэфициент трансформации. При более точных измерениях, когда желательно исключить погрешность в коэф-те трансформации, пользуются поправочными кривыми, прилагаемыми к измерительному трансформатору и дающими зависимость коэф-та трансформации от нагрузки вторичной цепи. При измерении высоких напряжений должен быть приняты меры предосторожности, указанные ниже при описании измерения силы тока. Иногда бывает необходимо измерять не действующее, а максимальное значение напряжения. Для этой цели изготовляют специальные, амплитудные, приборы, которые включаются одинаково с обыкновенными. Амплитудные измерители напряжения отличаются от обыкновенных либо принципом действия (например шаровые разрядники, коронный вольтметр) либо схемой внутренних соединений (амплитудные вольтметры, в которых применена одна или несколько электронных или газотрониых ламп) Г¹⁷]. Существуют вольтметры, измеряющие среднее значение переменного напряжения за полпериода; они принадлежат к детекторной или электронной системе и состоят из измерителя магнитоэлектрич. системы и меднозакисного или электронного выпрямителя. Но т. к. в большинстве случаев требуется знать не среднее, а действующее значение напряжения, на шкале таких вольтметров указываются действующие значения напряжения в предположении, что кривая напряжения является чистой синусоидой. Небольшие напряжения переменного тока порядка 10“³ V м. б. измерены при помощи потенциометров (смотрите) переменного тока.

Измерение силы постоянного то-к а. Токи порядка 10^-9 А и меньше м. б. измерены после усиления их при помощи специальной электронной лампы (фигура 3). Для увеличения чувствительности схемы измеряющий гальванометр G включен так, что, постоянная со ставляющая анодного тока компенсируется от батареи TJ_k при помощи реостата г_к. Источниками напряжения при усилении постоянного тока могут служить только аккумуляторные батареи с устойчивым до 0,01 % напряжением. Для увеличения устойчивости напряжения батареи рекомендуется соединять по несколько штук параллельно. Повышению чувствительности

схемы кладут предел броуновское молекулярное движение и небольшие колебания напряжения аккумуляторов, происходящие от электрохимии. явлений. Усиления больше чем в одной ступени не применяются [¹⁸]. Токи порядка КГ¹¹—ИГ⁶ А м. б. измерены стационарными зеркальными гальванометрами; токи порядка 1СГ⁶—10² А—переносными или стационарными магнитоэлектрич. приборами. Иногда в целях удешевления применяют для токов 1— 300 А электромагнитные приборы. Токи порядка 100—10 000 А измеряют магнитоэлектрич. приборами с наружными шунтами. При токах порядка 50 000 А шунты становятся слишком громоздкими и требуют исключительных предосторожностей при своем включении, чтобы обеспечить равномерное распределение тока между отдельными пластинами или стержнями шунта. Для измерения токов порядка 10 000 А и больше предложено много способов, использующих гл. обр. магнитные явления, сопровождающие прохождение тока. Нек-рые из этих способов дают точность порядка 1% (компенсационный способ Дитша), в большинстве же гораздо меньшую точность. Однако все эти способы отличаются большой сложностью и требуют иногда регулирования от руки того или иного приспособления. Задача измерения больших токов усложняется почти всегда тем, что показания измерителя необходимо передать на расстояние порядка 100—500 метров Удовлетворительного способа, к-рый можно было бы явно предпочесть всем остальным, пока не предложено. Наиболее простым (но неточным) является измерение при помощи магнитоэлектрич. вольтметра, имеющего предел измерений порядка 1 V, включенного параллельно длинному участку шины, по которой проходит измеряемый ток. Влияние изменения сопротивления шины от нагревания током или от изменения t° окружающей среды компенсируется тем, что добавочное сопротивление делают из того же материала, что и шина, и дают этому добавочному сопротивлению хороший тепловой контакт с шиной Г⁹]. Наиболее надежным и самым распространенным способом измерения постоянного тока является измерение при помощи шунта и магнитоэлектрического милливольтметра. Шунты изготовляют из манганина, так как он имеет наименьшую термоэдс относительно меди. Более дешевые шунты изготовляют из Константина. Благодаря эффекту Пельтье у Константиновых шунтов на блюдается неодинаковое нагревание наконечников. Поэтому при вертикальном расположении шунта для выравнивания t° положительный наконечник надо помещать снизу. У манганиновых шунтов это значения не имеет. Измеритель (милливольтметр) должен быть присоединен к шунту при помощи калиброванных медных проводников, с к-рыми он градуировался; длина каждого из них, выраженная в м, равна сечению их, выраженному в миллиметров². При поверке милливольтметров без шунтов испытательные милливольтметры должен быть включены через те проводники, с к-рыми они градуировались, причем напряжение, показываемое милливольтметром, наблюдается на концах проводников, через которые он включен. У милливольтметров, имеющих большое внутреннее сопротивление (10—20 Ω), это обстоятельство теряет свое значение. При измерении силы тока амперметр или его шунт должен быть включен в тот провод, в котором измеряют силу тока. При очень точных измерениях вместо милливольтметра пользуются потенциометром, а роль шунта играет образцовая катушка сопротивления.

Измерение силы переменного то-к а. Схемы для измерения переменного тока принципиально не отличаются от схем измерения постоянного тока. Благодаря невозможности применить магнито-электрич. приборы нижний предел измерений тока лежит значительно выше, чем у постоянного тока. Гальванометрами переменного тока можно пользоваться при измерении токов порядка 1СГ⁵ А. Точность измерений также значительно понижается (до 0,5%) по сравнению с постоянным током (0,02%). То же можно сказать и относительно измерения токов средней силы: амперметрами элек-тродинамич. или электромагнитной системы можно изменить токи в пределах 1СГ³—10² А. Чрезвычайное преимущество переменного тока заключается в возможности применения стационарных измерительных трансформаторов, устройство которых доведено до большей степени совершенства: точность их измеряется десятыми долями процента (промиллями). При помощи измерительных трансформаторов измеряют токи от 10 А до наибольших, встречающихся в практике. В этом отношении предела не имеется, и только точность измерений начинает уменьшаться при переходе к токам больше 10³ А. При измерении токов больше 10⁴ А применяют цепные трансформаторы, собранные из отдельных элементов (катушек самоиндукции с разомкнутой цепью из листовой стали). При сборке отдельных элементов сердечники их механически скрепляют болтами, т. ч. они образуют замкнутую магнитную цепь вокруг шины, по которой проходит измеряемый ток. Обмотки элементов соединяют последовательно между собою и амперметром. Число элементов примерно равно одному на каждые 2 000 А. Принципиальная схема включения измерительного трансформатора тока дана на фигуре 4. К амперметрам, включаемым через измерительные трансформаторы, относится сказанное выше относительно таких же вольтметров: при очень точных измерениях пользуются кривыми поправок коэфициента трансформации. При измерении токов большой силы нормальной частоты или токов малой силы, но высокой частоты необходимо считаться с поверхностным эффектом. Амперметры на большие частоты (порядка 10⁶ Hz) приобретают специальную конструкцию, причем непосредственно могут измерять небольшие токи (порядка 1 А). Для больших токов применяют измерительные трансформаторы специальной конструкции. При частотах 10⁷ Hz и больше приходится считаться с образованием стоячих волн в проводниках, и в этом случае измерение силы тока чрезвычайно затрудняется, так как место включения амперметра в провод уже имеет влияние на его показания.

Измерение сопротивления. Способ амперметра и вольтметра. При измерении сопротивления иногда необходимо, чтобы через сопротивление проходил нек-рый ток, характерный для рабочего режима этого

—

Фигура 4.

сопротивления. В таком случае наиболее подходящим способом является способ амперметра и вольтметра (фигура 5). При этом можно иметь два включения: вольтметр V приключен к точке К, то есть до амперметра А. Искомое сопротивление т_х выражается так: г_х=~ — г_а, где

U—показание вольтметра, I—показание амперметра, г_а—сопротивление амперметра (пригодно в том случае, когда сопротивление г_а мало по сравнению с г_х). Второе включение получается, когда вольтметр приключен после амперметра к точке М; тогда г_х =, где r_D—со-

r_v

противление вольтметра (пригодно для измерения малых сопротивлений, значительно меньших чем г_г). Способ пригоден при любом роде тока как переменном, так и постоянном, но при последнем явление осложняется, если т_хне является безреактивным. В первом приближении по этому способу определяют полное сопротивление, но необходимо при введении поправок учитывать сдвиги фаз у амперметра и вольтметра. Общая относительная погрешность метода равна сумме относительных погрешностей амперметра и вольтметра, поэтому она сравнительно велика.

Измерение сопротивления при помощи омметра. Омметры указывают измеряемое сопротивление непосредственно по

шкале и делятся на две главные группы: показания одних не зависят, показания других зависят от напряжения источника тока. Наиболее распространенными представителями первых являются омметры по схеме логометра (фигура 6). По одной рамке логометра (изме рителя отношений токов) проходит ток от батареи В, определяемый постоянным сопротивлением г, по другой—измеряемым сопротивлением х. Величины х и г для большей чувствительности должен быть примерно одинаковы. Отношение токов, а следовательно величина х, м. б. прочтено на шкале. Меггеры принадлежат к омметрам этого типа, однако у них в целях улучшения вида шкалы усложнена конструкция логометра тем, что добавлена третья катушка. Наиболее распространенным представителем вторых является омметр с последовательной схемой, служащей для измерения больших сопротивлений (фигура 7). Измерителем является прибор типа вольтметра с добавочным внутренним сопротивлением г_г·. Измеряемое сопротивление, величина κ-poro должна лежать в пределах (0,1 -г- 6) г_?·, включают последовательно с прибором и в зависимости от его величины получают то или иное отклонение стрелки. На шкале наносят величины искомого х. Т. к. сила тока, идущего через прибор, зависит от напряжения источника тока, то перед измерением необходимо установить нулевое показание прибора. Для этого зажимы измеряемого сопротивления замыкают накоротко контактом и устанавливают стрелку на нуль, либо регулируя магнитный шунт К (у более совершенных приборов) либо изменяя величину сопротивления г i (у более дешевых приборов). Точность показаний омметров этого типа очень невелика. При отсчете на середине шкалы относительная погрешность в 4 раза превышает ту, к-рую имеет тот же прибор, работая в качестве вольтметра. При приближении стрелки к краям шкалы относительная погрешность показания стремится к бесконечности. Для измерения малых сопротивлений применяют такие же омметры, но с параллельной схемой, у которых измеряемое сопротивление включают параллельно прибору, шунтируя его электрически. Иногда обе схемы совмещают в одном приборе. В таком случае нули обеих шкал находятся на противоположных концах, и необходимо обращать внимание на схему, по которой работает в данное время прибор, чтобы правильно прочесть показание.

Метод моста Витстона является наиболее употребительным и точным из остальных немостовых методов (фигура 8). Если величины сопротивлений а, b и г подобраны так, что тока в гальванометре нет, то х=г~. Метод пригоден для измерения сопротивлений, больших 1 Ω. Напряжение батареи U должен быть выбрано в соответствии с величинами г, х, а и b, чтобы не перегружать плечи моста большими токами, но чтобы дать достаточное отклонение у гальванометра. Если измеряемое сопротивление может дать термоэдс, то для исключения ее необходимо сделать второе измерение, переменив полюсы батареи, и затем взять среднее из двух измерений. Когда измеряемое сопротивление обладает самоиндукцией, сначала следует замыкать цепь батареи, а затем цепь гальванометра, а размыкать в обратном порядке. Наибольшая чувствительность схемы полу чается, когда все сопротивления а, b, г их

D

Фигура 9.

равны между собой. Сопротивление гальванометра должен быть также равно этому сопротивлению, что на практике трудно осуществить, т. к. гальванометр применяется один и тот же для всех случаев измерения. Гальванометр включают между точками, где соединяются два больших и два малых сопротивления, но если сопротивление гальванометра меньше сопротивления батареи, его включают в другую диагональ моста. При измерении малых сопротивлений из полученного ж вычитают сопротивление соединительных проводников, при помощи которых включено измеряемое сопротивление. Большинство фирм изготовляет мосты Витстона в виде целого аппарата, заключающего в себе плечи отношения а и b и сравнительное плечо г, а часто также и гальванометр. Иногда плечи отношения бывают соединены в общий рычажный магазин, имеющий 5 контактов, при установке на которые получаются отношения 0,01; 0,1; 1; 10; 100 и 1 000. Это упрощает пользование мостом, но не позволяет выбрать величины плеч так, чтобы получить наибольшую чувствительность моста.

Метод моста Томсона. При измерении очень малых сопротивлений (в 1 Ω и меньше) через них необходимо пропускать большие токи, чтобы получить необходимую точность измерений. Измеряемое сопротивление х (фигура 9) включают последовательно с известным сопротивлением г, заключающимся между точками 3 и 4, определяемыми подвижными или фиксированными контактами. Четыре плеча А, В, а и Ь регулируют так, чтобы в гальванометре не было тока. В таком случае

А. bd ^х~В^Г+a+b+d

(f-D-

где d—сопротивление соединительных проводников между точками 2 и 3. Если соблюдено дополнительное условие А : В=а: b, что всегда и делается, то формула упрощается и х — ^ г. Сопротивление d делают возможно меньшим по сравнению с ж и г, а величины ж и г берут примерно равными. Величинами жиг являются те, которые заключаются между контактами 1—2 и 3—4. Влияние термоэдс исключается, как и у моста Витстона, переключением батареи. Конструктивное выполнение мостов Томсона бывает двух видов. В одних конструкциях величины а, А и В остаются постоянными, а изменяется г при помощи движка, скользящего по калиброванной проволоке. Эта конструкция несовершенна, т. к. состояние контакта 4 сильно влияет на результат измерения. В других конструкциях сопротивления г, b и В остаются постоянными. При этом г берут в виде образцовой катушки сопротивления, потенциальные зажимы которой играют роль контактов 3 и 4. Сопротивления b и В всегда равны друг другу и осуществляются при помощи штепсельных магазинов сопротивлений. Сопротивления а и А также равны друг другу и осуществляются в виде рычажных двойных магазинов сопротивлений. Сопротивления а и А меняются одновременно и служат для уравновешения моста. Эта конструкция дает наилучшее по точности измерение [²⁰,²¹].

Измерение количества электричества производится двумя способами в зависимости от величины его. Небольшие количества электричества, получаемые например при разряде конденсатора, измеряют при помощи баллистич. гальванометра, то есть такого гальванометра, момент инерции которого настолько велик, что пронесс прохождения количества электричества можно считать законченным к тому времени, начиная с которого подвижная часть гальванометра начнет свое движение. Это требование равносильно тому, чтобы период колебания подвижной части гальванометра измерялся десятками ск. В таком случае амплитуда первого отклонения гальванометра будет пропорциональна количеству электричества, прошедшему через гальванометр. Коэф. пропорциональности (баллистическая постоянная) в сильной степени зависит от сопротивления цепи, на которую замкнут гальванометр. Поэтому для большей точности баллистич. постоянную. определяют при том же сопротивлении, при каком он работает.

Так,если гальванометром пользуются для определения емкости конденсатора, разряжая его на гальванометр, то баллистическая постоянная определяется также при помощи конденсатора (по схеме фигура 36) из уравнения

М

-ysmsmsu-

К_ь =

СжЕ

°2

где C_N—известная емкость образцового конденсатора,

Е—эдс того источника напряжения, от которого был заряжен этот конденсатор,. | ₍ Фигура 10.

Есл&*5аллистич. гальванометром измеряют количество электричества в цепи с сравнительно небольшим сопротивлением, то для определения К_ъ гальванометр замыкают на вторичную цепь образцовой взаимоиндукции М, по первичной цепи которой пропускают известной силы ток I (фигура 10). Тогда количество электричества, протекшее через гальванометр при переключении направления тока I с прямого на обратное, будет равно Q=где г—сопротивление всей цепи, в том числе и вторичной обмотки взаимоиндукции. Если выразить М в и, I в А, г в Ω, то Q получится в С. Когда ток не переключают, а только выключают или только включают, формула будет: Q =. Большие ко личества электричества, получаемые например от аккумуляторной батареи и выражаемые обычно в Ah, измеряют при помощи счетчиков (смотрите) количества электричества.

Измерение мощности в цепи постоянного тока производится: 1) методом амперметра и вольтметра, включаемых по схемам фигура 11 или 12. Мощность приемника для схемы фигура 11 P=IU-BR_a, для схемы фигура 12

P=IU-~,

RV

где I и U—показания амперметра и вольтметра, R_a и Ry—их сопротивления; 2) методом электродинамич. ваттметра (фигура 13 или 14).

Мощность, потребляемая приемником, определяется по тем же ф-лам, что и для первого метода, только вместо Ш нужно взять показание ваттметра, a R_A и R_v соответственно будут сопротивления последовательной и ответвленной обмоток ваттметра. Если измеряют мощность генератора, то для обоих методов в вышеприведенных ф-лах вместо минуса берут плюс. При технических измерениях вторыми членами, представляющими мощность, потребляемую самими приборами, можно пренебречь.

Чтобы ваттметр давал отклонения в надлежащую сторону, необходимо при включении соблюдать полярность зажимов. У одного из зажимов последовательной обмотки и,у ответвленной ставятся значки (* или ±), которые показывают, что именно к этим зажимам должен быть подведены провода со стороны генератора. Зажимы эти часто называют генераторными. Если ваттметр имеет наружное отдельное добавочное сопротивление К, то его следует включить по схеме фигура 13, чтобы избежать большой разности потенциалов между обмотками ваттметра и электростатич. взаимодействия между ними. Первое может повести к повреждению прибора, второе вызывает погрешность показания. Когда по условиям опыта требуется изменить

направление тока в ответвленной обмотке, следует переключать провода только на зажимах прибора, не меняя местом добавочное сопротивление. В цепях однофазного тока для измерения активной мощности преимущественно применяют электродинамич. или индукционный ваттметр. Включение производят по тем же схемам фигура 13 или 14. Для электродинамич. ваттметра при точных измерениях и особенно в тех случаях, когда коэф. мощности в цепи cos φ мал, учитывают погрешность, обусловленную самоиндукцией ответвленной обмотки. Показание ваттметра в этом случае умножают на коэф.

rr cos φ

ii=-;-г >

cos· v> cos (φ—ψ)

где ψ—сдвиг между током в ответвленной обмотке и приложенным напряжением. Мощность однофазного тока может быть также измерена тремя амперметрами (фигура 15) или тремя вольтметрами (фигура 16). В первом случае мощность приемника

P=j(H-Il-n)-IlR_Ai,

где I Ra₁—мощность, расходуемая в амперметре А_г. Для метода трех вольтметров

2R

(Ul — Uf — £7?) —

т

Rv,

и I

где -р--мощность, расходуемая в вольтметре?

Ύχ. Сопротивление R должен быть безиндукционным. Чтобы получить наименьшие погрешности измерения, мощность, расходуемая в сопротивлении R, должен быть равна мощности приемника. Для

измерения малых мощностей, особенно при высоком напряжении и малом коэф-те мощности, применяют электрометр (смотрите), одна из схем включения которого дана на фигуре 17 (R—без-индукционное сопротивление). Производят два измерения, присоединяя бисквит электрометра к точке а, а затем к b. Мощность приемника. т>_ ^ап~^аь

* ~~ 2kR ⁹

где а_а и а_ъ—отклонения электрометра при первом и втором включении, к—постоянная электрометра, определяемая градуировкой. Если

измеряется мощность, характеризуемая большой силой тока (больше допустимой для ваттметра), или измерения производят в высоковольтной цепи, ваттметр включается через измерительные трансформаторы тока и напряжения. В высоковольтных цепях применение трансформатора тока обязательно независимо» от силы тока. При включении ваттметра через» измерительные трансформаторы (фигура 18) необходимо соблюдать правильное соединение ге-

зажимов трансформатора. Вследствие наличия угловой погрешности у трансформаторов показание ваттметра при точных измерениях следует умножать на коэф-т

]_{ΰ =} ^cos <р

COS a COS (φ — α) ’

где a=y>-f ό₂, ψ—сдвиг в ответвленной обмотке ваттметра, δχ и <5₂—угловые погрешности трансформаторов. Кроме того, если ваттметр не имеет шкалы, градуированной с учетом включения через трансформаторы, его показания умножают на произведение коэф-тов трансформации, трансформаторов тока и напряжения.

Измерения активной мощности в трехфазной цепи осуществляются следующими методами, а) Метод одного ваттметра применяется только при полной симметрии цени. Если нейтральная точка доступна, включение производят по фигура 19, а. МощностьР=3Р_1С,

гдеР^—показание ваттметра. Если же нейтральная точка недоступна или приемник соединен тр-ком, ваттметр включают по фигура 19, b. Сопротивления г должен быть безиндукционными и равными друг другу и сопротивлению ответвленной цепи ваттметра r_w. Полная мощность и в этом случае P=3P_W. Ваттметр должен быть электродинамическим. б) Метод двух ваттметров (метод Арона) позволяет измерять полную мощность как при симметричной, так и при несимметричной системе и при любом соединении приемника или генератора. Метод этот неприменим для четырехпроводной цепи. Ваттметры включают по схеме фигура 20. Мощность трехфазной цепи в этом случае равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров, причем

Р_х=I_XU_X2 cos α; Р₂=I₃Z7₃₂ cos β,

где Ρi и Ρ₂—показания ваттметров, 1_г и 1₃— линейные токи, U₁₂ и U₃₂—линейные напряжения, а и β—соответствующие сдвиги между линейными токами и напряжениями. При полной симметрии цепи

Р_х=IU cos (30° + <р); Р₂=IU cos (30° - φ),

где φ—сдвиг между фазными и линейными токами или фазными и линейными напряжениями в зависимости от того, соединен приемник тр-ком или звездой. При любой нагрузке, если ψ < 60°, Р=Р_г + Р₂, если же <р>60° и нагрузка индуктивная, Р=Р₂ — Р_и при емкостной же Р=Р_Х —Р₂. При включении необходимо строго соблюдать правильность соединения генераторных концов ваттметров. Если имеется только один ваттметр, то измерения по методу Арона можно осуществить, применяя схему фигура 21 с особым ваттметровым переключателем, представляющим двухполюсный переключатель, у которого зажимы аа и bb соединяются упругими пластинами, когда ножи стоят вертикально. Если же ножи врублены (например в верхнее положение), пластина размыкает соединение зажимов аа и последовательная обмотка ваттметра включается в линию 1, ответвленная же обмотка окажется включенной между 1 и 2 линиями. Т. о. осуществляется соединение ваттметра W_x в методе Арона (фигура 20). Отсчитав показание ваттметра при этом включении, перебрасывают переключатель в другое (нижнее) положение. При этом осуществляется соедине ние ваттметра W₂ (фигура 20). Алгебраич. сумма обоих показаний дает полную мощность цепи так же, как и в схеме Арона с двумя ваттметрами. При измерениях в высоковольтных цепях ваттметры включают через измерительные трансформаторы по фигура 22. в) Метод трех ваттметров применяется гл. обр. в четырехпроводной цепи (фигура 23). Каждый из ваттметров измеряет мощность одной фазы. Полная мощность во всех случаях равна сумме показаний всех ваттметров. Если этот метод применяется в трехпроводной цепи, то вторые концы ответвленных обмоток ваттметров соединяются в искусственную нейтральную точку независимо от способа соединения приемника или генератора, и полная мощность будет равна сумме показаний трех ваттметров. Сопротивления ответвленных цепей ваттметров подбирают одинаковыми между собой, г) В условиях промышленной эксплуатации применяют почти исключительно многофазные ваттметры (смотрите), которые представляют два или три однофазных ваттметра (в соответствии с методом двух или трех ваттметров), соединенных в одном приборе. Прибор имеет одну ось, на которой укреплены подвижные элементы ваттметров, и стрелку, перемещающуюся по шкале, градуированной на суммарную мощность. Такие ваттметры,

называемые двухэлементными или трехэлементными, изготовляются преимущественно индукционными и ферро динамическими.

Измерение реактивной мощности в однофазной цепи осуществляется специальным синусным ваттметром электродина-мич. или индукционной системы. В технике под средним значением реактивной мощности понимают величину Р₂=UI sin ψ, которая является по существу амплитудой реактивной мощности. Для того чтобы электродинамич. ватт- *-метр учитывал UI sin φ, необходимо, чтобы между напряжением, приложенным к ответвленной обмотке, и током в ^ ней был сдвиг 90°. Достигают этого при помощи искусственной схемы ответвленной цепи ваттметра с реактивными сопротивлениями или конденсаторами. Включается такой ваттметр так же, как и обычный ваттметр активной мощности. Синусный индукционный ваттметр отличается от обычного тем, что у него сдвиг между потоками ответвленной и последовательной

Фигура 24.

обмоток делается равным нулю при безиндук-ционной нагрузке, а при включении в цепь ответвленная обмотка соединяется по фигура 24. Тогда показания ваттметра пропорциональны UI sin (180° — φ)=TJI sin φ, τ. е. реактивной мощности. Показания синусных ваттметров сильно зависят от частоты и формы кривой.

Для измерения реактивной мощности трехфазной цепи существует много методов и различных схем включения ваттметров. а) Способ двух ваттметров с измененной схемой включения (ваттметры обычной активной мощности) применяется только при полной симметрии токов и напряжений (фигура 25).

Реактивная мощность равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров (как и в методе

Арона), умноженной на |/|. б) Способ двух ваттметров с искусственной нейтралью (фигура 26), причем полные сопротивления ответвленных цепей ваттметров и сопротивление Z должен быть равны друг другу: правильный учет мощности получается только при симметрии напряжений; реактивная мощность равна алгебраич. сумме показаний обоих ваттметров, умноженной на УЗ. При напряжениях выше 150 У ваттметры следует ^включать через измерительные трансформаторы напряжения ,так как при этой схеме между последовательной и ответвленной обмотками существует фазовое напряжение, которое может вызвать повреждение обмоток, в) Способ трех ваттметров, включаемых по фигура 27, дает правильные результаты измерений только при симметрии напряжений. Реактивная мощность равна сумме показаний всех ваттметров, разделенной на У3. Ответвленные цепи каждого из ваттметров должен быть рассчитаны на линейное напряжение. В виду того что между последовательной и ответвленной обмотками ваттметра существует полное линейное напряжение, следует во избежание повреждений ваттметров при напряжениях выше 110— 120 V включать их через измерительные трансформаторы напряжения. Метод этот применим и в четырехпроводной цепи. Все описанные схемы требуют при включении соблюдения

потребитель

Фигура 28.

определенной последовательности фаз, указанной на схемах.

Измерение электрической энергии в цепи постоянного тока производится электродинамич. счетчиком (смотрите), включаемым так же, как ваттметр (фигура 13 и 14). Счетчики для трехпроводной цепи имеют две последовательные обмотки, из которых одна включается последовательно в один из крайних проводов, другая—в другой, и одну ответвленную обмотку, включаемую между крайними проводами. Только при равенстве напряжений между нулевым и крайним проводами счетчик дает правильные показания. Если же нагрузка неравномерна, то следует применять два счетчика для двухпроводной цепи. В практических условиях счетчик включают так, чтобы энергия, расходуемая в ответвленной обмотке, не учитывалась им и шла за счет станции (фигура 28). Потребление же в последовательной обмотке учитывается счетчиком (смотрите Ваттметр). При нагрузках в цепи выше 1 000 А последовательная обмотка включается через шунт.

Измерение активной энергии в однофазной цепи производится исключительно индукционным счетчиком, включаемым так же, как ваттметр по фигура 13 и 14, но без добавочного сопротивления. При больших токах и высоких напряжениях счетчик включают через измерительные трансформаторы, аналогично ваттметрам. Погрешности, вызываемые трансформаторами, те же, что и при включении ваттметра. Измерение реактивной энергии, под которой в технике принято понимать величину

2&-

J0-

Фигура 29.

t

w₂

J IU sin φ dt,

производится специальным синус-счетчи-к о м, у к-рого, как и у синусного индукционного ваттметра, сдвиг между потоками ответвленной и последовательной обмоток делается равным нулю, а включение осуществляется по фигура 24. В трехфазной цепи, если система полностью симметрична и нейтральная точка доступна, активная энергия м. б. измерена одним однофазным счетчиком, включаемым по фигура 19, а. Если нейтраль недоступна, применяют специальный счетчик с 60°-ным сдвигом между напряжением и потоком ответвленной обмотки. Счетчик включают по фигура 29, соблюдая определенную последовательность фаз. При трехпроводной несимметричной системе как в отношении нагрузки, так и напряжений применяют двухэлементный счетчик, включаемый по схеме Арона (фигура 20). Пользоваться двумя однофазными счетчиками в этом случае не следует, так как при cos <р<0,5 один из счетчиков будет вращаться в обратную сторону и даст заметную погрешность. Двухэлементный счетчик применим и при симметричной трехпроводной цепи. В четырехпроводной цепи применяют: 1) трехэлементный счетчик, включаемый по схеме трех ваттметров (фигура 23); 2) обычный двухэлементный счетчик с тремя трансформаторами тока (фигура 30), применимый

только при симметрии напряжений. В^Цслучае выключения одной из линий до счетчика показания получаются неверные.

Измерение реактивной энергии в т р е х п р о в о д н о и т р е х ф а з н о и цепи можно производить: 1) обычным двухэлементным счетчиком трехфазного тока, включенным по фигура 25, только в случае полной симметрии токов и напряжений; 2) обычным двухэлементным счетчиком с искусственной нейтралью, как при измерении реактивной мощности трехфазного тока (фигура 26); 3) двухэлементным счетчиком с четырьмя последовательными и двумя

чиком с автотрансформатором, к к-рому приключают ответвленные обмотки (фигура 32). Цифры у автотрансформатора показывают процент числа витков, считая от середины; 5) обычным трехэлементным счетчиком, включенным по схеме трех ваттметров при измерении реактивной мощности (фигура 27). Все эти методы правильно учитывают реактивную энергию только при симметрии напряжений и при включении требуют соблюдения последовательности фаз. При асимметрии токов и напряжений правильный учет реактивной энергии м. б. произведен двухэлементным синус-счетчиком, включаемым по нормальной схеме Арона. Недостатком этого счетчика являются большая зависимость показаний от частоты и формы кривой и большое собственное потребление энергии. Все вышеуказанные счетчики при включении одной из линий до счетчика дают неверные показания. В четырехпроводной трехфазной цепи для измерения реактивной энергии можно применить:

1) трехэлементный синус-счетчик; 2) двухэлементный счетчик с двумя последовательными обмотками по схеме Бергтольда (фигура 31); 3) обычный трехэлементный счетчик по схеме фигура 27. Во всех случаях необходимо соблюдение последовательности фаз. Правильный учет во втором и третьем случае возможен только при симметрии напряжений.

Измерение емкости, самоиндукции и взаимоиндукции. Измерения емкости и самоиндукции м. б. произведены двояко: при помощи приборов и при .помощи аппаратов. К числу первых относятся фарад-метры, изготовляемые фирмами Вестона и Гартман и Браун. Последний прибор устроен так: измеряемую емкость С_х включают (фигура 33) последовательно с одной рамкой S_t диферен-циального прибора, а образцовую емкость С^— последовательно с другой рамкой S₂. Вся схема питается переменным током через трансформатор Т, повышающий напряжение до 400 V или

или 10 V при измерении больших емкостей (0,15—10[лБ). Измеритель представляет собой ферродинамический прибор, магнитное поле которого возбуждается электромагнитом с катушками F₁ (фигура 34). Тот же электромагнит имеет вторичные катушки F₂ и т. о. играет роль трансформатора Т. В поле электромагнита вращаются три конаксиальные катушки S_l9S₂ и S^; две первые создают вращающие моменты, направленные в противоположные стороны. Третья катушка, замкнутая на самоиндукцию L₃, играет роль элек-трич. пружины.

Корректор, меняющий воздушный зазор катушки L₃, служит для установки стрелки на нуль. Противодействующий момент, создаваемый катушкой S₃, зависит от напряжения, питающего всю схему, в той же мере, в какой зависит и разность вращающих моментов, создаваемых катушками S₂ и S_l9 поэтому показания прибора не зависят от колебаний величины приложенного напряжения. Подбором величин г₃ и L_z добиваются также и независимости показаний от колебаний частоты. Прибор непосредственно показывает ис-

комую емкость, включенную к зажимам хх, причем шкала прибора является практически равномерной на всем ее протяжении. При номинальных величинах фарадметра в 1000 — 5 000—15 000 сантиметров погрешность прибора 1%, при 0,015—0,05—0,15—0,5—1,5—3 погрешность 0,5%, при 10 t>F—1 % при частоте питающего тока 40—60 Hz. Для измерения самоиндукции в СССР разработаны приборы — генримет-ры, но производство их еще не поставлено.

К числу аппаратов, измеряющих емкость или самоиндукцию, относятся весьма многочисленные мосты переменного тока, классич. образцом которых является мост Максвелла (фигура 35). Условием равновесия этого моста на переменном токе является равенство Z₁Z₄==Z₂Z₃; индикатором равновесия служит какой-либо нулевой прибор переменного тока (вибрационный гальванометр, детекторный гальванометр) или телефон. Если сделать плечо Z₄ из измеряемой емкости С_х, плечо Z₃ из образцовой емкости C_N, а плечи Z₂ и Z₄ из безреактивных сопротивлений г₂ и г₄, то условие равновесия ~~ —=дает С_х=- (V, мост с таким распо-

ωθΝ ^ri „, ^

ложением сопротивлении был предложен Води. Для измерения самоиндукции служит та же схема фигура 35, причем измеряемая самоиндукция L_x включается в плечо Z_l9 образцовая

Фигура 35.

L_n—в плечо Z₃, плечи Z₂ и Z₄ образованы без-реактивными сопротивлениями г₂ и г₄. Условие равновесия a)L_xrt=a>L_Nr₂ дает L_x=^ L_N. В

обоих случаях (измерения С или L) работа облегчается, если образцовые C_N или L_N являются переменными. При этом для измерения рекомендуется предварительно уравновесить мост на постоянном токе, однако это необязательно и равновесия моста можно добиться, работая только на переменном токе, затратив при этом несколько большее усилие. Схема моста Максвелла не всегда удобна для измерения емкости или самоиндукций, отличающихся большими или очень малыми величинами. Поэтому для таких случаев предложено различными авторами чрезвычайно большое количество мостовых схем, имеющих часто не четыре плеча, а пять или шесть. Каждая из таких схем [²²] очень хорошо работает только в своей узкой области измерений.

Измерение емкостей от ИГ⁹ F до 10"⁴ F можно производить с точностью до 1% также и бал-листич. методом, заряжая от одного и того же источника тока попеременно то образцовую емкость C_N то измеряемую С_х и разряжая их через баллистич. гальванометр (фигура 36). Если амплитуды первых отклонений будут соответственно а_х и a_N, то

При этом измерении все провода схемы должен быть очень тщательно изолированы от земли при помощи парафина или янтаря во избежание утечек заряда. Для измерения емкостей от 10" ² F до 10 ⁹ F служат специальные мосты, питаемые током большой частоты (порядка 10"⁴ Hz). Измерение самоиндукций, содержащих в своей магнитной цепи железо, усложняется тем, что ток, проходящий по самоиндукции во время измерения, намагничивает железо, а т. к. проницаемость последнего зависит от намагничивающего тока, а от проницаемости зависит величина самоиндукции, то на результаты измерений влияет сила тока, проходящего через самоиндукцию. Поэтому необходимо в таких случаях при измерении пропускать ток той же силы, какая наблюдается в эксплуатн измеряемой самоиндукции. Величины измеряемых L или С получаются различными в зависимости от того, на постоянном или на переменном токе производилось их измерение, а также в последнем случае и в зависимости от частоты. Измерение коэф-та взаимоиндукции сводится к измерению коэф-та самоиндукции. Если две катушки с самоиндукциями L_x и L₂ соединить так, чтобы их потоки складывались, то суммарный коэф. самоиндукции будет ТУ —f- L₂- -2M. Если соединить их так, чтобы их потоки вычитались, то L"=L_x+L₂-2M, где М—коэф. взаимоиндукции. Отсюда М=0,25 (ТУ — L"). Помимо этого способа существуют и способы непосредственного измерения М мостовыми схемами при помощи образцовых взаимоиндукций переменной величины [^з—26j

Измерение частоты. Применяемая в технике частота меняется в пределах от 5 Hz (печи для электрич. плавки стали) до 10⁹ Hz (радиотехника, см. Частоты измерения). Для диапазона 5—10⁴ Hz существует два способа измерений: при помощи приборов (частотомеров) и при помощи аппаратов (мостов). Частотомеры охватывают диапазон частоты 5—1 500 Hz, причем конструкция их зависит от пределов измерения. Вибрационные частотомеры (наиболее распространенные) работают во всем указанном диапазоне, однако для очень низких частот 5—16 Hz их показания очень неустойчивы и сильно зависят от высших гармоник напряжения. Наиболее удовлетворительно вибрационные частотомеры работают в диапазоне 20—100 Hz. Об устройстве вибрационных частотомеров см. Частоты измерения. Недостаток вибрационных частотомеров: они показывают не только основную частоту, но и все кратные ей (частоты гармоник), и потому в тех случаях, когда частота меняется в широких пределах (25—75 Hz), но показанию частотомера нельзя с уверенностью сказать, какова частота. Точность показаний вибрационных частотомеров для диапазона 20—100 Hz равна примерно 0,5—1% в зависимости от тщательности их изготовления. При частотах 500— 15 000 Hz показания вибрационных частотомеров становятся трудно определимыми вследствие малой величины амплитуды колеблющихся пластинок.

Стрелочные частотомеры показывают только основную частоту и не могут пока зать кратных частот, но

зато их показания в большей степени, чем у вибрационных, зависят от Г, времени работы (включения), формы кривой и величины напря-же ия. Существует большое количество стрелочныхчастотомеров разнообразных систем. Хорошими свойствами обладает частотомер Кейната (фигура 37). Ферро-динамич. прибор, неподвижная катушка которого S_x питается током через самоиндукцию L_x и емкость C_lf имеет две конаксиальные катушки S₂ и £₃, из которых вторая служит электрич. пружиной (механич. пружины у прибора нет). Величины L_x и С_х подобраны так, что при частоте, соответствующей середине шкалы, они дают резонанс напряжений, благодаря чему ток в их цепи возрастает до максимума и фаза его делается одинаковой с фазой напряжения, питающего весь прибор. При частотах выше или ниже средней знак фазы тока меняется, а вместе с ним меняется и знак вращающего момента, создаваемого подвижной катушкой S₂, благодаря чему при частотах ниже средней стрелка идет влево от середины шкалы, а при частотах выше средней — впрацо. Конденсатор С₂ служит для "сдвига фазы тока катушки S₂ на 90° относительно напряжения. Поэтому при резонансе эта катушка не создает в среднем никакого момента. Благодаря явлению электрич. резонанса влияние формы кривой напряжения сведено до минимума. Точность показаний лежит ок. 0,5% и зависит от пределов измерений. Частоты, которые можно мерить частотомером Кейната, лежат в пределах 15—2 000 Hz. Благодаря большой величине вращающего момента описываемые частотомеры особенно хорошо пригодны в качестве самопишущих частотомеров. При помощи стрелочных частотомеров возможно изменить частоту до 75 000 Hz. Область измерения одного и того же прибора составляет от 1% (для нек-рых самопишущих частотомеров) до максимума 20% от средней частоты. Нормальная область измерения 10% [²⁷].

Измерение частоты мостовыми методами. Хотя для измерения частоты принципиально могут служить любые мосты переменного тока, однако нек-рые схемы нашли наибольшее распространение благодаря удобству пользования и простоте или полному отсут ствию вычислительных операций, например схема Вина-Робинзона (фигура 38), для к-рой

Гг=£+?соС₄) ·

после разделения на два вещественных ур-получается:

Г1

. ^ГЛ.

г₄

с з

И СО² =

СЗС4ГЗГ4

Если выбрать^ : г₂=2, С₃=С₄, то г₃=г₄ и ω =

c₃V

рычагов магазинов г₃ и г₄. Меняя величину емкостей С₃ и С₄, можно получить пределы измерений от 15 до 12 000 Hz, причем в исполнении фирмы Сименс и Гальске точность измерений будет 1 Hz для частот не выше 100 Hz и ф 1% для частот больше 100 Hz. Нулевым указателем служит телефон. Для того чтобы получить лучший минимум звука, служит сопротивление г_й, которое позволяет сдвигать диагональ моста и тем выравнивать небольшие отклонения в величинах угла потерь в сопротивлениях г₃ и г₄. Для более низких частот (10—120 Hz)· может служить мост Юза-Кемпбелла (фигура 39), у которого меняются М и г₂, но [²⁸,²⁹]

т₂ -f r₄=R=Const.

Тогда

2 ₌ + Г₂ + r₃ + r₄) (г_аг₃ -Г4Г₄) ^

r₄ Lx

Эталоны частоты. Наиболее простым и точным способом измерения частоты, применяемым при градуировке образцовых частотомеров, является стробоскопический способ, при к-ром небольшая неоновая лампа периодически вспыхивает под воздействием импульсов напряжения, посылаемых образцовым камертоном, настроенным на какую-либо определенную частоту. Эта неоновая лампа освещает белый диск с нанесенными на нем черными секторами, число которых зависит от измеряемой частоты. Диск приводится во вращение синхронным двигателем, идущим от сети с измеряемой частотой, благодаря чему картина секторов кажется либо неподвижной либо вращающейся в ту или иную сторону. Измеряя скорость вращения картины, даваемой секторами, можно определить с большой точностью искомую частоту. Так, при разности частот камертона на 50 Hz и сети в 2% частота вращения картины будет 1 Hz, при разности в 0,2% частота 0,1 Hz, то есть один оборот в 10 ск. Более сложным способом является способ хронографа, на ленте которого делают отметки нормальные маятниковые часы, точность хода к-рых может доходить до 1 ск. в месяц, то есть — и синхронный двигатель, идущий от сети с из--

меряемой частотой. За последние годы широкое распространение получил способ измерения (и регулирования) частоты при помощи двойных часов, состоящих из двух механизмов: одного, приводимого в движение от маятниковых часов, другого—от синхронного двигателя. Когда частота равна точно 50 Hz, оба механизма идут синхронно и их не только минутные, но и секундные стрелки совпадают. При уклонении частоты от нормальной электрич. часы уйдут вперед или отстанут от механических, причем скорость этого расхождения может служить мерой частоты (аналогично стробоскопич. методу). Практически это расхождение вызывает действие регулирующих механизмов, и неправильная частота вновь приводится к нормальной. Благодаря такой регулировке частота держится настолько в среднем постоянной, что синхронные часы дают погрешность порядка 1 ск. в сутки I³⁰].

Измерение угла сдвига фаз. 1) Однофазный ток. Наиболее простым и точным способом измерения угла сдвига фаз между током и напряжением в однофазном токе является измерение при помощи фазометра, схема включения которого вполне аналогична со схемой включения ваттметра (фигура 13). Конструкции однофазных фазометров весьма разнообразны. Характерными чертами, присущими всем этим конструкциям, являются: 1) отсутствие механич. противодействующего момента, 2) наличие двух пространственно сдвинутых катушек, по которым проходят токи, сдвинутые по фазе во времени и создающие т. о. вращающееся магнитное поле, 3) наличие третьей катушки стоком, фазу которого необходимо измерить. Подвижную часть составляют либо указанные в п. 2 скрещенные катушки (в таком случае катушка п. 3 остается неподвижной) либо, наоборот, катушка, указанная в п. 3 (тогда катушки п. 2 остаются неподвижными). Сдвиг фаз токов, идущих по катушкам п. 2, создается тем, что последовательно с одной из них включают либо емкость либо самоиндукцию, тогда как последовательно со второй—безреактивное сопротивление. При разных комбинациях в направлении энергии и в характере нагрузки можно осуществить изменение угла φ в 360° [генератор слева—индуктивная нагрузка, то же—емкостная нагрузка, генератор справа—индуктивная нагрузка, то же—емкостная нагрузка], поэтому у любого фазометра теоретически можно получить угол отклонения стрелки в 360°. Практически конструкция эта не всегда осуществима. Наиболее простой является конструкция Бругера или Тума, схематически изображенная на фигуре 40. Катушки S₂, сдвинутые под углом 90°, являются подвижными, питаются от напряжения сети. Катушки S, являются неподвижными, включаются последовательно с током, фазу которого необходимо измерить. Катушки S₂ стремятся вращаться в противоположных направлениях и угол их поворота а связан с углом сдвига фаз φ соотношением tga=tg<p. На шкале прибора вместо угла φ чаще наносят cos φ. Наименее точным способом измерения угла сдвига фаз между

током и напряжением является способ амперметра, вольтметра и ваттметра, когда угол сдвига вычисляют по ф-ле:

^cos^⁼⁼ Ш’

Относительная погрешность этого способа равна сумме относительных погрешностей трех_ приборов, которые участвуют в измерении, то есть может в лучшем случае быть уменьшена до 1,5%, тогда как при определении фазометра погрешность может быть доведена до 0,5—0,7%.

2) Трехфазный ток. Для трехфазного тока решающее значение имеет не сдвиг фаз. между отдельными фазовыми токами и их напряжениями, а коэф. мощности, под которым под-разумевают“такой cos φ, к-рый определяется из

₊ ^р6

tg <Р =-ГГ’

а

гдеР₀—реактивная мощность и Р_а—активная мощность, причем вместо мощностей в то же выражение можно подставить реактивную и активную энергию, тогда получится средний коэф_ мощности на длительный промежуток времени. Для определения такого среднего коэф-та мощности служат счетчики активной и реактивной энергии, включенные последовательно по схеме Арона и определяющие энергию независимо от того, является ли нагрузка равномерной или:

А Фигура 42. Λ

неравномерной. При равномерной нагрузке фаз все явления упрощаются и коэф. мощности делается равным cos φ для любой из фаз, поэтому он м. б. измерен обыкновенным фазометром, несколько упрощенным благодаря наличию сдвинутых по фазе токов трехфазной цепи·. Наиболее простой является конструкция фазометра фирмы Вестингауз, у которой катушка, упомянутая в п. 3. также является неподвижной, но она намагничивает железный подвижной сердечник, связанный со стрелкой и имеющий форму буквы Ζ. Эта катушка S_B включается параллельно в сеть (фигура 41). Две неподвижные катушки S% и S₂(п. 2) сдвинуты в пространстве на угол 120° и включены в провода разных фаз последовательно с приемником (фигура 42). В случае равномерной нагрузки сдвиг фаз в трехфазной цепи м. б. определен также и по показанию двух однофазных ваттметров, включенных по схеме Арона: если обозначить а_г наибольшее из показаний двух ваттметров, а а₂—наименьшее, то“

Ч<р=У

3

Для той же ’равномерной нагрузки cos φ можно определить по ф-ле пользуясь показаниями ваттметров, амперметров и вольтметров. Однако точность этого способа очень мала, в особенности если показания Р определяются по двум ваттметрам, а равномерность нагрузки — по шести приборам. Все приведенные выше ф-лы относятся к синусоидальным напряжению и шкале, при которых вычисленный угол φ совпадает с фактическим. При несинусоидальной форме угол φ приобретает условное значение, при к-ром cos φ равен ко-эфициенту мощности.

Измерение неэлектрических величин. Проявления электричества настолько разнообразны, что, используя их, можно почти любую величину связать с каким-либо электрич. явлением и использовать последнее для количественного измерения первой. За последние годы техника электрич. измерения неэлек-трич. величин достигла широкого развития. Одна из очень обширных областей—пирометрия <см.). Ниже лишь кратко перечисляются области применения электрич. методов к измерению неэлектрич. величин. В настоящее время при помощи электрич. прибора м. б. полностью обслужено котельно-паровое хозяйство. Могут •быть измерены: давление пара, расход пара, t° в любом месте установки, т. e. t° любой величины, количество израсходованного тепла, м. б. произведен анализ дымовых газов на содержание СО, СО», СО + Н₂, измерено содержание свободного углерода в газах (дым), сила тяги газов в трубе, количество прошедшей по трубопроводу воды и др. Кроме того для других •областей техники имеются электрич. приборы, измеряющие угловую скорость вращения, линейную скорость движения и пройденный путь, давление, ускорение поступательного или вращательного движения, время в любых промежутках, начиная с микросекунд и кончая часами, малые линейные перемещения (от μ до миллиметров), угол поворота вала, что в свою очередь дает возможность измерения огромного количества величин. Имеются электрич. приборы для объективного измерения освещенности, силы звука, влажности воздуха, вакуума (малого давления газа) и электроизмерительные аппараты для измерения концентрации водородных ионов в растворах, для определения числа витков в катушках и многие другие. Электроизмерительные приборы и аппараты для измерения неэлектрич. величин часто оказываются настолько точными и удачными, что вытесняют старые неэлектрич. приборы и благодаря своим специфич. особенностям способствуют дальнейшему развитью той области техники, в которой юни применяются.

Магнитные измерения. Магнитные измерения главной своей практич. задачей имеют испытание ферромагнитных материалов, то есть определение их магнитных характеристик <см. Магнитные материалы). В основном эти измерения сводятся к измерению: 1) магнитного потока и как производного от него—магнитной индукции, 2) напряженности магнитного поля и 3) потерь энергии на гистерезис и токи •Фуко при переменном намагничивании материала. Помимо определения магнитных характеристик материалов те же методы и аппаратура инироко используются при исследованиях элек тромагнитных механизмов, поскольку это касается определения магнитных величин. Помимо этого магнитные измерения находят прило жение в области магнитного анализа, понимая под этим определение других физич. свойств материалов и изделий (например твердость) по магнитным характеристикам, а также выявление дефектов в изделиях (раковины, внутренние трещины, неправильная термическая обработка и др.).

Измерение магнитного потока и индукции. Наиболее широкое распространение получил баллистический метод, обеспечивающий достаточную точность и не требующий особо сложной аппаратуры. Метод основан на измерении магнитного потока бал-листич. гальванометром, соединяемым с обмоткой, навитой на испытуемый образец. При изменении в образце магнитного потока, сцепляющегося с измерительной обмоткой, в цепи гальванометра индуктируется количество электричества, определяемое соотношением:

W₂A<t>lQ-8

г“

= Q,

где W₂—число витков обмотки, ΔΦ—изменение потока в максвеллах, г₂—сопротивление в омах всей цепи, на которую замкнут гальванометр. Количество электричества Q вызовет отклонение рамки гальванометра, определяемое ур-ием: Q=С_ъа, где С_ь—баллистич. постоянная гальванометра в С /мм. Зная С_ъ и сечение образца S в см², можно вычислить индукцию образца в гауссах:

Г) _ ^Сь г»а

w₂s

• 10⁸,

имея в виду, что ΔΦ=££. Образцы для испытаний применяют кольцевые или в виде стержней цилиндрических или прямоугольных. В первом случае на образец навивают одну на другую две равномерно распределенные обмотки: первая служит для измерения магнитной индукции, вторая—намагничивающая. При испытании стержневых образцов в замкнутой магнитной цепи пользуются пермеаметрами (смотрите). Схему соединений для получения основной кривой намагничивания выполняют согласно фигура 43, где Р — пермеаметр, или кольцевой образец, М—катушка взаимной индукции для градуировки гальванометра. Сопротивление г подбирают таким, чтобы общее сопротивление, на которое замкнут гальванометр, было близко к критическому. Для упрощения вычислений при градуировке гальванометра определяют не С_ъ, а С_ъг_г · 10⁸=С, то есть градуируют прямо на магнитный поток. Для этого в первичной цепи катушки М устанавливают нек-рый ток I, затем выключают его или переключают и в этот момент наблюдают отклонение β. Если пользуются катушкой взаимной индукции в виде прямолинейного соленоида с равномерной обмоткой, в центральной части которого навита вторичная обмотка, то при переключении тока

_Γβ--

максвелл миллиметров *

где ъо_г и w₂—числа витков первичной и вторичной обмоток катушки взаимной индукции, S и I—ее сечение в см² и длина в см. Если применяют катушку, коэф. взаимной индукции которой М в генри известен, то с_ъ=Щ- ю⁸.

Приступая к испытанию образца, вначале его размагничивают, для чего устанавливают такую силу тока, чтобы намагничивающее поле было больше того, к-рое соответствует максимальной магнитной проницаемости образца (см.

Фигура 44.

М агнишные материалы). Переключая направление тока со скоростью ок. 1 цикла в секунду, вместе с тем постепенно, плавно уменьшают силу тока до 0. Размагничивание можно производить и переменным током. Для определения точек основной кривой намагничения устанавливают небольшое намагничивающее поле и при этом поле производят «магнитную подготовку» образца путем многократного переключения тока, приводя материал к состоянию, характеризуемому замкнутым циклом, симметричным относительно координатных осей. Затем переключают ток и замечают отклонение а гальванометра. Магнитную индукцию В в гауссах (фигура 44) вычисляют по ф-ле

Съ^а

В =

гдеЗ—сечение образца в см², w₂—число витков измерительной обмотки пермеаметра. Точки кривой гистерезисного цикла определяют, начиная каждый раз из вершины цикла А (фигура 44). Устанавливают ток 1_тах, соответствующий H_wax для данного опыта, производят магнитную подготовку и затем уменьшают ток до I (соответственно Η_χ)₉ размыкая рубильник К₃ (фигура 43); замечая при этом отклонение гальванометра а_х, вычисляют изменение индукции кВ=В_тах-В_г:

ΔΒ=-|г— ·

Точки кривой, соответствующие отрицательным полям, получают, быстро изменяя поле от +Н_тах до +Н_п и от +Н_п до —Н_п (вышло-чение рубильника К₃ и переключение переключателя К_г). После каждого измерения возвращаются к вершине цикла и, сделав магнитную подготовку, начинают новое измерение. Для испытания образцов при слабых магнитных полях порядка 1 эрстеда и меньше, а также материалов с высокой начальной проницаемостью (смотрите Магнитные материалы) пермеаметрами нельзя пользоваться, так как ярмо пермеаметра искажает измерение. В этом случае применяют или кольцевые образцы или прямолинейные стержни. В последнем случае испытания производят в разомкнутой магнитной цепи в пустотелом соленоиде, в центральную часть которого помещают испытуемый обра-

Т. Э. m. XXVI.

зец. Ось соленоида должен быть направлена_й^т,перпендикулярно магнитному меридиану. Длину соленоида следует брать не меньше двойной длины образца, чтобы он находился в достаточно равномерном поле. Форма образца: эллипсоиды вращения, цилиндрические, прямоугольные стержни или пакеты листового материала. Отношение длины образца к диаметру следует брать не меньше 50, а при испытании материалов с высокой проницаемостью—порядка 200— 300. На образец в центральной части навивают измерительную обмотку, соединяемую с балли-стич. гальванометром. Методы измерения и вычисления индукции аналогичны вышеописанным для замкнутой магнитной цепи. Метод разомкнутой магнитной цепи особенно рекомендуется для измерений коэрцитивной с и -л ы магнитно-мягких материалов, у которых она невелика, а испытание в пермеаметре дает искаженные результаты. На образец в центральной части надевается катушка, соединенная с гальванометром, которая может сдергиваться с образца. Образец намагничивают, затем ток постепенно уменьшают до нуля и, изменив направление, устанавливают вначале небольшое поле, постепенно затем его повышая. При каждой силе поля наблюдают отклонение гальванометра при сдергивании катушки с образца. Когда гальванометр при сдергивании катушки не будет давать отклонения, напряженность размагничивающегося поля соленоида будет равна коэрцитивной силе, т. к. в этот момент интенсивность намагничения образца равна нулю. При сдергивании катушку не следует удалять из соленоида. Можно и не добиваться нулевого отклонения гальванометра, а брать два отсчета, один—при напряженности поля, близкой к коэрцитивной силе, когда образец еще не перемагнитился, второй—за коэрцитивной силой, когда интенсивность намагничения образца уже изменила знак. Интерполяцией находят напряженность поля, соответствующую коэрцитивной силе.

При баллистич. измерениях магнитного потока вместо баллистич. гальванометра м. б. применен также флюксметр, изобретенный Грассо и представляющий по существу ма-гнитоэлектрич. гальванометр, у которого направляющая сила (упругое закручивание подвеса) сведена до минимума и прибор работает в условиях сильного переуспоко-ения, что достигается замыканием при измерении его цепи на сопротивление, значительно меньшее его критич. сопротивления (фигура 45). Подвижная рамка А подвешена на коконовой нити К и спиральной пружине R, служащей для ослабления толчков и сотрясений. Ток к обмотке рамки подводится посредством двух цилиндрич. спиралей S из тонкой отожженной серебряной ленты. Рамка помещена в узком зазоре постоянного магнита NS и железного сердечника Б. С рамкой скреплена стрелка, которая при повороте рамки перемещается над двухсторонней шкалой с равномерными делениями. Шкала флюксметра градуируется на единицы магнит-

75

ного потока — максвеллы — теми же методами, что и баллистич. гальванометр. Флюксметры, изготовляемые в СССР з-дом «Электроприбора, не имеют подвеса, рамка их вращается на осях; в остальном же конструкция подобна описанной. Для арретирования рамки устроено механическое приспособление, поднимающее рамку при повороте винта, укрепленного снаружи прибора. Одновременно стрелка приводится на середину шкалы. Чувствительность флюксме-тра завода «Электроприбор»—10 000 максвеллов на 1 деление. В нек-рых конструкциях на рамке со стороны, противоположной шкале, укрепляется зеркальце для оптич. отсчета. Флюкс-метр может применяться во всех случаях, где требуется баллистич. гальванометр для магнитных измерений. При испытании материалов баллистич. методом флюксметр может заменить гальванометр, и в этом случае упрощаются установка и методика измерений, т. к. не требуется градуировки флюксметра. При испытании постоянных магнитов, при измерении магнитных полей электрич. машин и других электромагнитных механизмов флюксметр находит широкое применение. Достоинства флюксметра: 1) отклонения не зависят от времени изменения магнитного потока в широких пределах (примерно до 10 ск.); 2) в известных пределах отклонения не зависят от сопротивления, на к-рое замкнут флюксметр (сопротивление внешней цепи не должно превосходить примерно Vio сопротивления рамки флюксметра); 3) рамка под действием импульса отклоняется и остается в этом положении теоретически неопределенно долгое время, практически же очень медленно возвращается; 4) не требуется тщательной установки, как для гальванометра.

Измерение индукции при намагничивании образцов постоянным током осуществляется также магнитоэлектрическими и отрывными методами в соответствующих пермеаметрах. На переменном токе для измерения индукции можно применить потенциометр (смотрите). На образец помимо намагничивающей обмотки навивают еще измерительную обмотку и потенциометром измеряют индуктированную эдс Е₂. Индукцию при синусоидальном изменении эдс вычисляют по ф-ле:

т, So- 108

В max - TMfSyji ^ГаУ^СС’

где /—частота, S—сечение образца в см², w₂— число витков измерительной обмотки. При испытании кольцевых образцов в слабых магнитных полях на переменном токе применяют также мостовые методы (смотрите Мостик Вит-стона). На образец навивают одну равномерно распределенную обмотку и включают в одну из ветвей моста, служащего для измерения самоиндукции. Измерив самоиндукцию L в генри, вычисляют проницаемость μ:

_ L · dl09 ^ ~ 4w²S ’

где d—средний диаметр образца в см, w—число витков, S—сечение образца в см². Вычислив напряженность поля Н по намагничивающим ампер виткам, определяют индукцию В=иН.

Определение н а п р я ж е н н о с т и м а γη и т н о г о поля. При испытании кольцевых образцов с равномерно распределенной намагничивающей обмоткой напряженность поля в эрстедах вычисляется по ф-ле: r_T_0,inW₁I

где W_x—полное число намагничивающих витков, I—сила тока в А, I—средняя длина окружности кольца в см. Если испытывается образец в пермеаметре, Н м. б. вычислена с практически достаточной точностью по этой же ф-ле, причем I в этом случае — длина намагничивающей катушки. При испытании прямолинейных образцов в разомкнутой магнитной цепи в длинном соленоиде напряженность поля внутри образца Н/, соответствующая измеренной индукции, вычисляется по ф-ле:

II - II - NJ,

где Н—напряженность поля соленоида, J—интенсивность намагничивания образца в гауссах, N—коэф. размагничения образца; N м. б. вычислен по геометрии, размерам только для образца в форме эллипсоида вращения по ф-ле:

где р—отношение полярной оси эллипсоида к экваториальной и р > 1. Для цилиндрических и полосовых образцов N постоянен в пределах примерно до J=800 гаусс, а дальше уменьшается с увеличением J. Определить N для цилиндрического образца можно путем сравнительных испытаний с эллипсоидом из одного и того же материала или же экспериментальным путемТолько сданным образцом способом Штейнгауза [³¹,³² ] или Ланга [³³], используя «идеальную» кривую намагничения. В тех случаях, когда вычисление Н не может дать достаточно надежных результатов, прибегают к непосредственному измерению одним из следующих способов.

Калиброванные катушки применяют цилиндрические с одной или несколькими обмотками или плоские. Если требуется измерить Н, наир, внутри пустотелого соленоида, катушку с одной обмоткой, для которой известны сечение S и число витков w, помещают в центральную часть соленоида так, чтобы плоскость витков была перпендикулярна к направлению поля. Катушку соединяют с баллистич. гальванометром. Изменяя направление измеряемого поля, наблюдают отклонение гальванометра а. Тогда, если поле в объёме, занимаемом катушкой, однородно, то

^я=йг ^эР^стеД>

где Сь—постоянная гальванометра в максвеллах. При испытании образцов Нж. б. измерена, если на образец надеть катушку с двумя обмотками с одинаковым числом витков. Обмотки соединяют навстречу друг другу и с гальванометром. Переключая намагничивающий ток, по отклонению гальванометра вычисляют Н в непосредственной близости к поверхности образца

С а тт __ _b__

2(_<S₂vo₂~S₁W₁) ’

где S₂ и w₂ относятся к наружной второй обмотке, S-l и w-L — к первой (w₂=wj. Если S₂ и S_±мало отличаются от сечения образца, тойс достаточным приближением можно принять равной напряженности поля в образце. Б^сли взять катушку наир, с четырьмя обмотками и измерить H_l9 II₂, Н_г в разном удалении от поверхности образца, соединяя поочередно 2—1, 3—2,

4—3 обмотки навстречу, можно затем экстраполяцией найти Н₀ на поверхности образца. Тогда, основываясь на том, что тангенциаль-

ная составляющая И при переходе из одной среды в другую не претерпевает искажения, й₀ на поверхности образца будет равна И в образце. Аналогичным образом измеряют Н при помощи плоской, очень тонкой катушки, помещая ее на поверхность полосового образца.

Магнитный потенции л ом етр [¹⁵], предложенный Роговским (пояс Роговского), основан на том, что интеграл магнитной силы по замкнутому пути равен нулю, если интегральный путь не охватывает тока, или полному току, если путь охватывает ток. По-тенциалометр представляет гибкую полосу толщиной 0,5—1,5 миллиметров изолирующего материала с постоянным сечением по длине и с равномерной обмоткой с большим числом витков тонкой проволоки. Если концы потенциал ом етра поместить в две точки 1 и 2 поля, разность потенциалов между к-рыми требуется измерить, то поток, сцепляющийся с ним, будет равен 2

Ф=Sw J И_х dx.

1

Соединяя потенциалометр с баллистическим гальванометром, можно измерить Ф, удаляя потенциалометр из поля или изменяя направление поля. Предварительно градуируют потенциалометр, для чего охватывают катушку К с током I, число витков ги₁ которой известно (фигура 46). Переключая или выключая ток в катушке, получают отклонение а. Постоянная потенциалометра применительно к данному гальванометру 0,4яи>11 ["гильбертов"!

L деление J

Хэллом (Hull) [³⁵] был разработан способ измерения Н при помощи магнетрона (смотрите) по следующим двум схемам. Схема фигура 47 позволяет измерять И от 20 до 500 эрстед. Магнетрон помещают в измеряемое поле так, чтобы ось его совпадала с предполагаемым направлением поля: сопротивление R устанавливают сначала на максимум, а затем постепенно его уменьшают. Показания вольтметра вначале возрастают, а затем при дальнейшем увеличении R в нек-ром диапазоне почти не изменяются, после чего снова увеличиваются. Тогда R устанавливают приблизительно на середину того интервала сопроти- _|__? лд/ууу с=-

ш

-ΛΛΛ/Wv ¹-

Фигура 47.

вления, в пределах которого напряжение почти оставалось постоянным. В виду того что точное направление измеряемого поля м. б. неизвестно, вращают магнетрон вокруг оси, перпендикулярной к его длине, до тех пор, пока вольтметр не покажет максимума при неизменном R и U. Показание вольтметра U_а будет соответствовать измеренной Н₀, которая м. б. вычислена по ф-ле:

С/Ег

Н₀= 6,72 —эрстед,

где г—радиус цилиндра магнетрона в см, или определена из кривых градуировки магнетрона в известных полях. Для измерения слабых полей применяют схему фигура 48. Магнетрон окру

жают намагничивающей катушкой, создающей «критическое поле», при к-ром анодный ток начинает резко уменьшаться (вычисляется по вышеуказанной ф-ле). Вместе с намагничивающей катушкой магнетрон помещают в измеряемое поле и по отклонению амперметра А₁ определяют И₀, предварительно проградуировав магнетрон, так же как и в первом случае. Точность измерений по первой схеме—0,25%, по второй—1%.

Применение висмутовой спирали (смотрите) для измерения И основано на свойстве висмута изменять сопротивление под действием магнитного поля. Помещая висмутовую проволоку, согнутую в спираль, в магнитное поле, наблюдают изменение ее сопротивления. По кривой градуировки спирали (зависимость сопротивления от напряженности поля) определяют величину измеряемого поля. Этот способ позволяет измерять поля порядка тысяч эрстед, но * отличается малой точностью. Оригинальный метод измерений напряженности поля на постоянном токе при испытании полосовых образцов листового материала в разомкнутой магнитной цепи в пустотелом соленоиде и слабых магнитных полях предложен Германом f³⁴]. На образец кладут систему, аналогичную гальванометрической (рамка с обмоткой на подвесе с зеркальцем), т. ч. плоскость рамки параллельна поверхности образца. В рам-Фигура 4 9. ке устанавливают определенную силу тока, поддерживая ее постоянной. При намагничивании образца рамка отклоняется, и при помощи зеркала и оптического приспособления наблюдают это отклонение на шкале, расположенной против торца соленоида. Систему предварительно градуируют, помещая ее в известное поле, то есть в тот же соленоид, но без образца.

Для измерения суммарных потерь на гистерезис и токи Фуко в листовых материалах при переменном намагничивании и промышленных частотах наибольшее распространение получили два метода: ваттметровый и диференциальный. Образцы для испытания можно применять кольцевые или полосовые, в практике же почти исключительно пользуются последними, и в этом случае для испытаний служит аппарат Эпштейна. Магнитная цепь аппарата представляет квадрат из 4 пакетов р листовой стали (фигура 49). Ширина полос 3 см, длина 50 см, масса каждого пакета 2,5 килограмм (данные эти являются стандартными при испытании листовой электротехнич. стали). Для получения средних характеристик в каждом пакете берут половину полос, нарезанных вдоль прокатки листа, половину—поперек и укладывают их вперемежку, прокладывая между отдельными полосами тонкую бумагу. Полосы нарезают острым инструментом во избежание заусенцев.

Пакеты помещают внутрь пустотелых катушек, каждая из которых имеет две обмотки (в старой конструкции аппарата Эпштейна имеется только одна обмотка). Соответствующие обмотки всех катушек соединены последовательно. Измерительная установка ваттметрового метода (фигура 49) должна питаться непосредственно от отдельного генератора с синусоидальной кривой напряжения, и изменение напряжения на зажимах аппарата Эпштейна осуществляется регулированием возбуждения генератора. Чтобы избежать заметного искажения формы кривой эдс, намагничивающая цепь должна иметь минимальное активное сопротивление. Эдс в Y для заданной индукции вычисляют по ф-ле: E₂=4fij.f.WzSB_m10-s,

где В_т—максимальное значение индукции, 5— сечение образца в см², вычисляемое по массе, плотности и длине (200 см) магнитной цепи, w₂—число витков вторичной обмотки, /—частота тока, f_Fj—коэф. формы эдс. Напряжение, измеряемое" вольтметром,

и^-Ц-,

^{1 +} Т

где г₂—сопротивление вторичной обмотки,

^rv ^rw

Tv "Ь ^rw

если r_v и r_w—сопротивления вольтметра и ответвленной обмотки ваттметра. Если эти сопротивления достаточно велики, можно принять U₂=E₂. Суммарные потери в W для всей массы образца определяются из ф-лы

P_HF= ^ Р

Vix

ui

где w_x—число витков первичной обмотки, Р— отсчет по ваттметру. Если коэф. формы кривой эдс заметно отличается от синусоидального, для пересчета измеренных потерь умножают величину потерь на токи Фуко (после разделения потерь) на (jyf’ ^где- А®—коэф. формы в условиях опыта. На аппарате Эпштейна можно производить измерения при индукциях от 1 000 до 17 000 гаусс. При больших индукциях возникают технич. затруднения, т. к. сильно увеличивается намагничивающий ток. При индукциях же меньше 1 000 гаусс вследствие малой величины * измеряемых потерь падает точность измерения.

Диференциальный метод основан на сравнении испытуемого образца с нормальным, потери которого известны. Испытание производится в двух совершенно идентичных аппаратах Эпштейна с двумя обмотками (фигура 50): N—аппарат Эпштейна с нормальным образцом, X—с испытуемым, R_n и R_x—регулируемые без индукционные и безъемкостные сопротивления, W — диференциальный ваттметр. Ответвленные обмотки ваттметра включены так, что вращающие моменты обеих систем направлены навстречу друг другу. Если мощности в обоих аппаратах Эпштейна равны и R_n=R_x, то ваттметр будет стоять на нуле. Если

Фигура 50.

же потери неодинаковы, то можно добиться нулевого положения ваттметра, изменяя R_x. При измерениях устанавливают сопротивления R_N и R_x в 10 000 раз ббльшими, чем потери в W на 1 килограмм нормального образца для данной индукции и частоты. Регулируя возбуждение генератора, питающего установку, устанавливают напряжение в соответствии с индукцией, при которой требуется произвести измерения. Напряжение вычисляют по той же ф-ле, что и для ваттметрового метода. Изменяют R_x до тех пор, пока ваттметр не установится на нуль. Тогда, пренебрегая потерями на нагревание вторичных цепей, P_N:P_X~R_N R_X, если P_N и Р_х—соответственно потери нормального и испытуемого образцов. Так как R_N= 10 000 P_N, то P_X=R_X:

: 10 000 (W/кг). Нормальный образец рекомендуется брать по магнитным свойствам, близким к испытуемому. Существенное достоинство метода: колебания частоты, напряжения и отклонения формы кривой напряжения от синусоидальной в довольно широких пределах практически не сказываются на результатах. Метод широко распространен для массовых заводских испытаний и принят как стандартный в СССР для испытаний листовой электротехнич. стали. Диференциальная установка предназначается для измерений потерь при индукциях от 10 до 15 кило гаусс и в этих пределах дает точность порядка 2%. Фирмой Сименс и Гальске изготовляется комплектная установка для испытания одних и тех же образцов как в отношении потерь, так и кривой намагничивания (смотрите Пермеаметр). Измерение потерь при малых индукциях производят с помощью потенциометра переменного тока или мостового метода. Образцы в обоих случаях кольцевые. Потенциометром измеряют эдс Е₂ на зажимах вторичной обмотки, навитой на образец, а также силу намагничивающего тока (падение напряжения на зажимах активного сопротивления, включенного в намагничивающую цепь) и угол <р сдвига между ними. Тогда потери на гистерезис и на токи Фуко

РHF ⁼ IiEi COS φ,

где Е_г=Е₂, если числа витков обмоток одинаковы. При испытании мостовым методом измеряют активное сопротивление образца Rx, включенного в одну из ветвей моста. Потери

Рhf — (Rx ~~ ^r)IL·

где г—омич, сопротивление намагничивающей обмотки, 1_Х—сила тока в ней.

Для разделения потерь на гистерезис и на токи Фуко производят измерения при одной и той же индукции и по крайней мере при двух разных частотах. Суммарные потери P_HF в W 1кг для данной толщины листов

Pj»=«y + №y-

где В_т—максимальная магнитная индукция, /—частота тока, γ—плотность материала в г/см², η—коэф. гистерезиса (коэф. Штейнмеца), ξ—коэф. токов Фуко. О показателе степени х см. Магнитные материалы. Измеренные суммарные потери P_FF при частоте f_x и P"_HF при частоте /₂, отнесенные к единице частоты, выражаются линейными ур-иями

"ур— ^а + М ^{= a} + ^2>

wB*

где а= — потери на гистерезис па 1 Hz;

fi_fB2

b=—потери на токи Фуко на 1 Hz. Ре

шая эти ур-ия, находим:

р" /i р

^rHF-j~-^rHF _ _/2

/i — /2

p р"

^ HF *HF

U

f 1. »

&

_ /1 /2

/1-/2

Графич. разделение потерь показано на фигуре 51. По оси абсцисс откладывают частоту, по оси

Фигура 51.

ординат — соответствующие суммарные потери на 1 Hz. Прямую ВС экстраполируют до пересечения с осью ординат. Отрезок ОА=а; BD=bf_x; СЁ= bUПользуясь выражениями для а и b, можно вычислить коэф-ты η и ξ. Если при измерении потерь коэф. формы кривой эдс отличался от синусоиды и был равен f_E, выраже-

( i ²

ние для b умножают на

(—X.

V1,11 *

Лит.: 1)ЧерданцеваЗ., Электрические измерения, 3 изд., М.—Л., 1933; ²) Базилевич В., Электротехнические измерения и приборы, Л., 1929; ^s) Г р у н К., Электротехнические измерительные приборы, пер. с нем., 2 изд., М.—Л., 1932; 4) е г о ш е, Лабораторные измерения по электротехнике, пер. с нем., 2 изд., М.—Л., 1932; ^б) СкирльВ., Измерение мощности переменного тока, пер. с нем., М.—Л., 1932; в) Пособие к лабораторным занятиям по электрическим и магнитным измерениям, под ред. М. Шателена и Н. Пономарева, Л., 1931; ⁷) Вернер О., Чувствительные гальванометры постоянного и переменного тока, пер. с нем., Л., 1932; ») М е л линтер И., Электрические счетчики и измерительные трансформаторы, пер. с нем., Л., 1933; ») СЭТ, Справочная книга для электротехников, т. 1, Л., 1928; i°) L a w s F., Electrical Measurements, N. Y., 1917; n) Jaeger W., Elektrische Messtechnik, Lpz., 1922; 12) Handbueh d. Phy-sik, hrsg. у. H. Geiger u. K. Scheel, B. 16, B., 1927; ¹³) Keinath G-., Die Technik elektrischer Messgerate, B. 1—2, Mch.—B., 1928; +) D г у s d a 1 e C. a. Jolley A., Electrical Measuring Instruments, y. 1—2, L., 1924; !5) G-umlich E.,Leitfaden d. Magnetischen Mes-sungen, Brschw., 1928; ¹³) Spooner T., Properties a. Testing of Magnetic Materials, N. Y., 1927; i?) R a у 1 1L., Scheitelspannungs-Messung mit Neon Glimmrohre, «Archiv f. technisches Messen», Mch., 1931, 3, γ. 3382—1, τ. 38; ¹³) S e w i gR., Gleichstrom-Verstarkung, ibid., 23, 634—1, τ. 71; !9) Keinath G., Messung hoher Gleichstrome, ibid., 1932, 18, v. 3213—1, τ. 179; so) Kronert J., Thomson Briickenfiir Gleichstrom, ibid., 1932,10, J.911—1, T. 60; 21) Kronert J., Widerstandsmessung, ibid., 1931, 1, v. 3511—1, T. 10; 22) Hague B., Alternating Current Bridge Methods, L., 1923; ^2S) Keinath G., Kapazitatsmessung, «ArchiY f. technisches Messen», Mch.,

1931, 1, v. 3532—1, T. 11; ²ⁱ) Kronert J., Wechsel-strom-Briicken, ibid., 1931, 2, J. 921—1,T. 29; 25) Kronert J., Wechselstrom-Briicken von Anderson-type, ibid.,

1932, 12, J. 921—2, T. 93; 26) Kronert J., Weehsel-

strom-Briicken mit einer gegenseitigen Induktion, ibid., 1932, 15, J. 921—4, T. 141; 27) к e i n a t h G., Frequenz-messung, ibid., 1931, 1, y. 3612—1, T. 12; 28) к r ό n e r t J., Frequenz-Messbriicken, ibid., 1932, 14, J. 921—8,

T. 122; 29) Kronert J., Wechselstrom-Briicken, ibid., 1932, 12, J. 921—2, T. 93; ³⁰) Keinath G., Genaue Frequenzmessung, ibidem, 1932, 23, y. 3612—2, T. 61; ³¹) Steinhaus W., Ueber einige spezielle magneti-sche Messmethoden, «Zeitschr. f. techn. Physik», Lpz., 1926, 10; 32) Steinhaus W. u. G u m 1 i c h E., «Verh. d. Deut. Phys. Ges.», 1915, B. 15; зз) Lange H., «Ztschr. f. Techn. Phys.», Lpz., 1930, 7; 34) Hermann P., Ueber ein neues magnetisches Bleehpriifverfahren, ibid., 1932, 11; зб) H u 1 1 A., «Phys. Review», N. Y., 1921, v. 17, 1912, v. 19, 1923, v. 22, 1925, v. 35. H. Пономарев, E. Шрамков.

Телефонно-телеграфные измерения имеют следующие особенности сравнительно с Э. и. сильного тока: 1) большое влияние на результаты измерений окружающей обстановки и многих других, обычно не учитываемых факторов, например при измерениях переменным током тональной частоты влияние емкости тела наблю дателя и др.; 2) влияние атмосферных условий на результаты измерений изоляции воздушных линий (изменения t° и влажности наружного воздуха и тому подобное.). Поэтому при производстве телефонно-телеграфных измерений необходимо:

1) принимать меры к устранению влияний со стороны соседних проводников, источников переменного тока, тела наблюдателя и др. и

2) при измерениях воздушных проводов отмечать состояние атмосферы. Результаты измерений (согласно общим правилам для всех измерений) имеют значение лишь тогда, когда определен размер ошибки их. При телефонных измерениях сильно возрастают субъективные ошибки в виду того, что большинство измерений производится при помощи слуховых индикаторов (телефонов), менее точных, чем индикаторы зрительные. Кроме того значительную роль играют ошибки, происходящие от посторонних влияний. При точных телефонных измерениях является необходимым экранирование всех частей измерительных схем от окружающих влияний. Инструментальные ошибки при телефонных измерениях, которые производятся гл. обр. при помощи переменного тока тональной частоты, сравнительно с таковыми же при измерениях постоянным током достигают большей величины. Это объясняется меньшей точностью измерительных приборов переменного тока тональной частоты сравнительно с измерительными приборами для постоянного тока. Последнее время для телефонных измерений начали широко применять ламповые вольтметры, которые градуируются при помощи термоэлементов, и детекторные приборы. Точность измерений получается значительно большая, чем при других измерительных приборах переменного тока, применявшихся ранее для той же цели. Современное оборудование телефонных и телеграфных станций и линий для контроля и наблюдения за правильностью работы всех их устройств требует применения весьма различных измерительных приборов, начиная от самых грубых гальваноскопов для контроля работы телеграфных аппаратов Морзе до самых чувствительных зеркальных гальванометров для измерения электрич. свойств телефонных и телеграфных кабелей. Пределы допускаемых погрешностей очень велики: от сотых долей % при измерениях катушек Пупина, в нек-рых случаях при определении места повреждения кабелей и др. до 10% и более при измерении изоляции воздушных проводов. Ошибка +10% в данном случае не может считаться слишком большой, т. к. изоляция воздушных телефоннотелеграфных проводов в течение суток (в зависимости от атмосферных условий) изменяется на величину, во много раз большую. С наиболее ходовыми приборами ошибка получается в 1—3%. К телефонно-телеграфным измерениям относятся: 1) испытания гальванических элементов и аккумуляторов малой емкости, применяемых в качестве источников тока для работы телефонных и телеграфных цепей; 2) измерения сопротивления земляных соединений на телефонных и телеграфных станциях и линиях; 3) измерения телефонной и телеграфной аппаратуры; 4) испытания и измерения электрических свойств телефонных и телеграфных линий и цепей.

Испытание гальванических элементов, применяемых в телефонной и телеграфной практике, заключается в измерении напряжения и внутреннего сопротивления как отдельных элементов, так и целых батарей. Измерение напряжения производится при помощи вольтметров магнитоэлектрич. системы с большим сопротивлением. Рекомендуется применять вольтметры с сопротивлением не менее 100 Ω на 1 V шкалы прибора, чтобы внутренним сопротивлением элемента можно было пренебречь перед сопротивлением вольтметра. Для измерения внутреннего сопротивления элементов телефонных и телеграфных батарей м. б. применен любой метод из числа применяемых для измерения сопротивления электролитов, но наиболее удобным из числа применяемых для измерения сопротивления электролитов является метод вольтметра, так как он не требует отдельного измерительного прибора, а позволяет использовать тот же вольтметр, который служит для измерения напряжения этих элементов.

Измерение сопротивления телефонных и телеграфных земляных соединений (заземлений) производится при помощи мостика Витстоиа (смотрите) с постоянным или переменным током. Для этой цели м. б. применен любой мостик Витстона, но наиболее удобным является мост Кольрауша с калибрированной проволокой и скользящим по ней подвижным контактом. Из числа методов для измерения сопротивления земляных соединений в телефонной и телеграфной практике наибольшее распространение получили: а) метод трех земель, включаемых попарно в схему моста (этот метод требует трех последовательных измерений), и б) метод Вихерта, при к-ром требуется произвести всего два измерения. По методу Вихерта для определения сопротивления какого-либо земляного соединения необходимо располагать двумя надежно устроенными земляными соединениями и третьим вспомогательным заземлением.

Э. и. телефонной и телеграфной аппаратуры. Из числа методов, применяемых для измерений сопротивления, самоиндукции и изоляции обмоток различных телефонных и телеграфных аппаратов и приборов и емкости конденсаторов, наиболее часто применяется метод моста. Схему моста при постоянном токе можно рассматривать как частный случай схемы моста для измерений переменным током. Схему моста для телефонных измерений переменным током можно представить в виде замкнутого четырехугольника, каждая сторона которого представляет сопротивление, состоящее из любой комбинации активных и реактивных сопротивлений. В одну диагональ этого четырехугольника присоединяются проводники от источника переменного тока тональной частоты, в другую диагональ включается нулевой индикатор. В качестве такого индикатора применяется телефон или вибрационный гальванометр. В случае равновесия в ветвях моста получается отсутствие тока в индикаторе. Тогда через полные сопротивления И₁ и z₂ (фигура 52) будет проходить одинаковой силы ток, то есть г_г=г₂. То я^е самое получается для сопротивлений z₃ и *₄, то есть г₃=г₄. Если ток в диагонали

В

индикатора U равен нулю, точки В и D будут при одном и том же потенциале, и векторы падения напряжения в сопротивлениях ~ζ_ί и 7₃, а также в сопротивлениях и £₄ должен быть равны и совпадать по фазе, то есть

^=: ^з«^з И %₂Ζ2 ¹⁼⁷-- ^₄.5’₄.

При равенствах=г₂ и г₃=г₄

~1 _ “з

~Ζ·Ζ П

ИЛИ

Н _eU<Pi-<Pj=?* _еН<Ръ-<Рь) 2_й ’

(1)

т. к. z₁=r₁^Jr jXi=ит. д., где г_г—активное сопротивление, х_г—реактивное сопротивление и φ₁—сдвиг фазы тока относительно напряжения. Ур-ие (1) распадается на два:

^4=^з И φ₁ -<р₂=<Pi-<Pf Эти два ур-ия являются общими для всех схем мостов, которые применяются в телефонных измерениях. Самый процесс измерений при всех этих схемах сводится к выравниванию двух переменных величин, пока индикатор 17, включенный в диагональ BD, не покажет отсутствия тока в этой диагонали. Если измерения производятся постоянным током, то величины ж_ь ж₂, ж₃ и ж₄ в выражении z₁=r₁ + jx_t и т. д. будут равны нулю, и ур-ие (1) превращается в ур-ие ~=к-рое содержит только одни активные сопротивления. Индикаторами тока в схемах моста при измерениях при постоянном токе служат стрелочные гальванометры с чувствительностью порядка КГ⁶ А и выше или же зеркальные гальванометры. При переменном токе в качестве индикатора в схеме моста чаще всего применяется телефон, который является наиболее чувствительным нулевым индикатором при частоте тока 300;—5 000 Hz. Обычный телефон имеет наибольшую чувствительность при 800—1 000 Hz. Для измерительных целей (для применения в качестве индикаторов в различных схемах при телефонных измерениях)

з-дами изготовляются специальные телефоны, которые при большой чувствительности имеют малое сопротивление, снабжаются особой защитой от соприкосновения с телом наблюдателя и отличаются отсутствием резко выраженного резонанса. В случае надобности для повышения чувствительности телефона при телефонных измерениях применяются специальные усилители, от которых требуются большое усиление при всех частотах и отсутствие нелинейных искажений. В последнее время подобные усилители вместо телефона часто снабжаются детекторами со стрелочными приборами для получения объективности отсчета. Для уменьшения влияния связей, гл. обр. емкостных, возникающих при включении в измерительную схему телефона и в особенности усилителя с телефоном, рекомендуется при точных телефонных измерениях включение телефона и его усилителя производить через специальный трансформатор, обмотки которого тщательно изолированы друг от друга и емкость их одной по отношению к другой незначительна. При более высоких частотах в качестве индикаторов в схемах моста для телефонных измерений применяются также гальванометры постоянного тока в соединении с детекторами (кристаллическими или ламповыми), или термоэлементами, или барреттерами. При частоте тока менее 300 Hz, а также и при более высоких частотах, если желательно из бавиться от влияния гармоник, в схемах моста для телефонных измерений применяются вибрационные гальванометры. Частота собственных колебаний вибрационного гальванометра м. б. изменяема и при измерениях она устанавливается равной частоте тока. Тогда чувствительность вибрационного гальванометра будет наибольшей. Источниками тока служат: а) галь-ваиич. элементы или аккумуляторы малой емкости и б) генераторы переменного тока (зуммерные, машинные и ламповые). Ламповые генераторы являются наиболее распространенны- | ми для телефонных измерений, т. к. только они ! могут удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к ним, наир, генераторы должны да- | вать возможность изменять частоту получаемого j от них тока в весьма широких пределах (50— ! 10 000 Hz), форма кривой тока должен быть строго си- > нусоидальной. Особенное значение для теле- ¹ фонных измерений имеет синусоидальная форма | кривой тока, даваемого генератором. Но т. к. ! получение совершенно правильной синусоиды | является технически трудно выполнимой задачей, то практически считается вполне допустимым, если гармоники составляют 2% от основных колебаний. В виду этого генераторы тональной частоты при телефонных измерениях обычно снабжаются фильтрами, которые имеют назначение устранять гармоники основных колебаний. Кроме того источники переменного тока при телефонных измерениях снабжаются особыми симметрирующими устройствами, т. к. зажимы таких источников тока обычно несимметричны относительно земли, то есть не имеют по отношению к земле равных и противоположных по знаку потенциалов. В качестве симметрирующих устройств для этой цели применяется или симметрирующий мостик или симметрирующий трансформатор.

Испытания и измерения электрических свойств телефонных и телеграфных линий и цепей. Для воздушных телефонных и телеграфных проводов производятся измерения сопротивления и изоляции их. Сопротивление измеряется по методу мостика Витстона с постоянным током, причем индикатором служит стрелочный гальванометр. При наличии одного только провода между данными пунктами замкнутая цепь при измерении получается соединением удаленного конца провода с землей. В случае двух и более проводов составляется цепь из двух проводов, удаленные концы которых замыкаются накоротко. Измерение изоляции воздушных проводов производится или по методу мостика Витстона или же (гораздо чаще) по методу вольтметра, причем удаленный конец провода в обоих случаях изолируется. При испытании воздушных телефонных двухпроводных цепей, кроме измерения сопротивления и изоляции проводов каждой цепи при помощи постоянного тока, производится измерение переменным током асимметрии их по отношению к земле и по отношению к линиям передачи энергии. Испытания телефонных и телеграфных кабелей и кабельных линий, производимые для контроля, насколько эти кабели и кабельные линии соответствуют технич. требованиям, заключают в себе: а) измерение сопротивления проводников кабельных жил, б) измерение сопротивления изоляции их и в) измерение электроемкости жил. Для телефонных междугородных кабелей производится еще измерение асимметрии емкости парных жил и четверок по отношению к земле и по отношению к соседним парным жилам и четверкам. Измерение асимметрии четверок необходимо для контроля электрич. свойств т. н. фантомных цепей, составляемых из каждых двух парных жил междугородной телефонной кабельной линии. Для телефонных кабелей городских сетей и для телеграфных кабелей измерения их электрич. свойств производятся постоянным током. Измерения электрич. свойств междугородных телефонных кабелей производятся как постоянным, так и переменным током тональной частоты. Для измерения сопротивления проводников телефонных и телеграфных кабелей применяется метод моста. Для измерения изоляции и емкости телефонных и телеграфных кабелей применяются различные методы, а именно: метод моста, метод компенсации, метод замещения, метод сравнения. При всех этих методах для кабельных измерений постоянным током применяются зеркальные гальванометры как наиболее чувствительные индикаторы. В переносных измерительных устройствах для телефонных и телеграфных кабелей, предназначенных для измерений на линиях, а также для определения места повреждения телефонных и телеграфных кабелей, применяются как стрелочные, так и зеркальные гальванометры. При измерениях телефонных“ кабелей переменным током тональной частоты до самого последнего времени в качестве индикатора применялся телефон. В настоящее время в связи с широким распространением усилителей при телефонных кабельных измерениях переменным током наряду с телефоном в качестве индикаторов применяются стрелочные гальванометры постоянного тока вместе с усилителями и детекторами. Наиболее детальные измерения производятся при испытании электрич. свойств и исправности работы телефонных междугородных цепей как предназначенных для междугородных переговоров, так и цепей, служащих для передачи широковещания. Международным консультативным комитетом по телефонированию на дальнее расстояние. в который входит также СССР, в целях контроля исправности междугородных телефонных цепей и цепей для широковещания были разработаны и рекомендованы для применения порядок и условия периодич. испытаний всех отдельных устройств, входящих в состав междугородных телефонных цепей. В соответствии с этим периодич. испытания междугородных телефонных цепей заключают в себе: а) измерения кабельных линий для проверки состояния изоляции, сопротивления и затухания различных участков между усилительными пунктами; б) измерения усилителей при различном числе периодов тока для определения устойчивости кривой усиления в функции частоты. Для этой цели производятся измерения не менее чем при 4 разных частотах, заключающихся в пределах передаваемой полосы частот, и в) измерения линий в целом при частоте тока 800 Hz для определения остаточного затухания и относительного уровня передачи на различных усилительных станциях. Кроме этих испытаний для длинных телефонных кабельных линий производятся измерения затухания электрич. эхо, измерения затухания переходных токов с одной цепи на другую и еще целый ряд дополнительных измерений.

О радиотехнических измерениях см. Измерение, Измерения в радиотехнике, Частоты измерения.

Лит.: Труды Международного Консультативного Комитета по телефонным сообщениям на дальнее расстояние, М., 1933 (Перевод с франц. трудов МКК за 1930 г. с дополнениями и исправлениями, внесенными сессией в Париже, сентябрь 1931 г.); Кампе Л., Электрич. измерения телеграфных и телефонных линий, М., 1926; Соловьев Н., Телефонные измерения, Л.—М., 1932; Баев Н., Измерения воздушных и кабельных линий, М., 1930; Яблоновский Н. и В еличутин В., Электрические телеграфные измерения, Л., 1927. Л. Кампе.