Nachádzate sa tu
Elektrotechnické merania
1.Rozdelenie prístrojov
Rozdelenie meracích prístrojov možno robiť približovaním sa k skutočnej hodnote z hľadiska viacerých činiteľov ovplyvňujúcich presnosť merania. V elektrickom meraní porovnávame meranú veličinu s jej základnou jednotkou. Výsledkom je číselná veličina. Elektrické meranie je proces približovania sa k skutočnej hodnote.
Faktory presnosti: presnosť meracieho prístroja, presnosť metódy, rušivé vplyvy.
Činitele pri meraní: meraný objekt, merací prístroj, operátor
.
Podľa spôsobu, akým sa určuje meraná veličina z údaja prístroja, rozlišujeme dve základné skupiny meracích prístrojov:
Absolútne meracie prístroje :umožňujú určiť meranú veličinu bez predchádzajúceho porovnania s iným prístrojom. Sú to špeciálne a veľmi presné prístroje. Meranú veličinu nám umožňujú určiť na základe rozmerov niektorých častí meracieho prístroja na základe váhy, sú najpresnejšie a najdrahšie.
Sekundárne meracie prístroje :v prípade ktorých meranú veličinu určujeme porovnávaním s hodnotou, ktorá bola určená pomocou presnejšieho meracieho prístroja. Medzi tieto prístroje patria všetky bežne používané meracie prístroje.
Podľa skupiny presnosti rozpoznávame :
Etalony:pracujú s najvyššou možnou dosiahnuteľnou presnosťou.
Základné meracie prístroje:ktoré slúžia ako najpresnejšie prístroje na overovanie laboratórnych meracích prístrojov a na veľmi presné meranie. Majú spravidla triedu presnosti 0,1.
Laborátorné prístroje:, používané pre dostatočne presné laboratórne meranie v prevádzke.
Prevádzkové prístroje:pre bežnú technickú potrebu, pre bežné merania v prevádzkach.
Podľa druhu meranej veličiny poznáme meracie prístroje : ampérmetre, voltmetre, wattmetre, galvanometre, ohmetre, elektromery, kmitomery, fázomery, prístroje pre meranie neelektrických veličín a iné.
Podľa použitej sústavy prúdu rozoznávame prístroje : jednosmerné, striedavé jednofázové, striedavé viacfázové.
Podľa spôsobu merania a údaja meranej veličiny rozdeľujeme na:
a) analógové meracie prístroje:ktoré spojitú zmenu meranej veličiny merajú i udávajú spojito.Výstupnou veličinou analógového meracieho prístroja je najčastejšie výchylka ručičky ukazovacieho prístroja alebo výchylka svetelnej stopy na tienidle obrazovky.
b) číslicové (digitálne) meracie prístroje:ktoré menia meranú analógovú veličinu na diskrétnu a spojitú zmenu udávajú v číslicovom tvare.Digitálne meracie prístroje poskytujú na svojom výstupe číselný údaj reprezentujúci istý interval hodnôt vstupnej meranej veličiny, ktorému sa hovorí krok kvantovania.
1.1 Meranie
Meranie je proces získavania informácií o kvantitatívnych parametroch meranej veličiny.Merací proces, na ktorom sa podieľa meraný objekt, merací prístroj a operátor, spočíva v experimentálnom porovnaní meranej veličiny s niektorou jej hodnotou, zvolenou za jednotku, pomocou vhodných technických prostriedkov. V moderných automatizovaných meracích procesoch je úlohou operátora väčšinou len občasná kontrola meraných výsledkov a priebehu sledovaného procesu i keď sú oblasti prírodných vied a techniky, kde vyhodnotenie nameraných výsledkov nie je bez človeka mysliteľné.
Účel merania: Účelom merania v technike a prírodných vedách je zistiť, podľa akých zákonitostí prebieha pozorovaný jav.Na získanie takýchto nových kvalitatívnych poznatkov treba zaručiť rôzny stupeň presnosti .
Metrológia:Veda a súhrn poznatkov o meraní. Predmetom metrológie sú teda okrem spôsobov merania (meracie metódy) aj chyby vznikajúce pri meraní, spôsoby vyhodnocovania, archivácie a prezentácie výsledkov, meracie prostriedky, atď.
Meracie metódy:
a) Absolútne:využíva sa fyzikálno-definičný vzťah
b) Porovnávacie:porovnáva sa hodnota neznámej veličiny zo známou.
c) Výchylkové:veličina sa určuje z výchylky meracieho prístroja
d) Nulové:prístroj slúži iba ako indikátor nuly. Veličina sa určí z hodnôt nastavovaných prvkov
1.2 Základné pojmy
Merací rozsah: symbol M, udáva sa v jednotkách meranej veličiny napr. volt (V), ampér (A), miliampér (mA), watt (W) a pod. Predstavuje maximálnu hodnotu, ktorú môže meraná veličina pri meraní dosiahnuť. Udáva sa na kryte prístroja, alebo priamo na stupnici, niektoré prístroje majú len jeden merací rozsah, iné majú niekoľko rozsahov.
Rozsah stupnice:symbol D, udáva sa v dielikoch (d). Udáva počet dielikov stupnice, resp. dĺžku stupnice vyjadrenú v dielikoch.
Konštanta meracieho prístroja: symbol K, udáva sa v jednotkách meranej veličiny na dielik. Konštanta meracieho prístroja vyjadruje hodnotu meranej veličiny pripadajúcej na 1 dielik stupnice. Konštanta meracieho prístroja sa vypočíta poľa vzťahu:
K=M/D (jednotka/d; jednotka,d)
Citlivosť meracieho prístroja:symbol C, udáva sa v dielikoch na jednotku meranej veličiny. Citlivosť meracieho prístroja vyjadruje počet dielikov stupnice pripadajúcich na jednotku meranej veličiny. Citlivosť meracieho prístroja sa vypočíta poľa vzťahu:
C=1/K= D/M (d/jednotka; d,jednotka)
Výchylka:symbol α, udáva sa v dielikoch. Vyjadruje počet dielikov, ktoré ukazuje ukazovateľ (ručička, svetelná stopa) pri meraní. Výchylku je potrebné odčítať čo najpresnejšie.
Nameraná hodnota:všeobecne symbol XN, pri konkrétnom meraní použijeme symbol meranej veličiny (U, I, P a pod.) a jednotku meranej veličiny (V, A, W, a pod.). Nameraná hodnota sa vypočíta poľa vzťahu: XN= K . α (jednotka; jednotka/d, d)
Príklad potlačenia začiatku stupnice meracieho prístroja
Obr. 1.1. Príklad potlačenia začiatku stupnice meracieho prístroja
2. Chyby a presnosť merania
Žiadnym meracím prístrojom a meracou metódou nie je možné určiť úplne presne skutočnú hodnotu meranej veličiny. Meraním sa snažíme určiť veľkosť meranej veličiny čo najpresnejšie. Presnosť merania sa udáva nepriamo veľkosťou chyby.
Podľa spôsobu výskytu rozdeľujeme chyby na:
a) systematické (sústavné) chyby: sú také chyby, ktoré pri opakovaní toho istého merania majú stále rovnakú veľkosť.
b) náhodné chyby: vyskytujú sa s neznámou zákonitosťou. Pri opakovanom meraní majú rôznu veľkosť, nepoznáme príčinu ich vzniku.
Podľa príčiny vzniku rozdeľujeme chyby na:
a) chyby meracej metódy:presnosť merania závisí aj od zvoleného spôsobu merania. Je potrebné zvoliť metódu podľa toho, s akou presnosťou chceme merať, napr. ak postačuje menšia presnosť môžeme použiť jednoduchšiu a rýchlejšiu metódu.
b) chyby meracích prístrojov:pozri Triedu presnosti.
c) chyby spôsobené rušivými vplyvmi:pri meraní môžu na meracie prístroje pôsobiť rôzne vplyvy a ovplyvňovať ich údaje, k týmto vplyvom patria:
-mechanické vplyvy:trenie v ložiskách, pracovná poloha, vibrácie
-teplota :každý prístroj má pracovať v dovolenom rozsahu teplôt, pretože zmenou teploty sa mení napr. rezistancia, rozmery a pod.
-vonkajšie elektromagnetické pole: vyvoláva sily a momenty, ktoré spôsobujú zmenu údajov, pôsobí na prístroje, ktoré majú slabé vlastné pole, ⇒ magnetické tienenie.
- frekvencia:každý prístroj je určený pre meranie v určitom intervale frekvencií, v ktorom je zaručená jeho TP, frekvencia ovplyvňuje napr. reaktanciu, u niektorých prístrojov od frekvencie priamo závisí moment systému.
Chyby merania: Namerané veličiny sa líšia od skutočných hodnôt veličiny. Presnosť merania sa udáva nepriamo veľkosťou chyby merania.
Podľa zdrojov chýb:
a) subjektívne : zapríčinené obsluhou
b) objektívne : spôsobené objektívnymi príčinami
Oprava (korekcia) a korekčná krivka pristroja: Oprava je záporne vzatá absolútna chyba: O = -∆A = S – N
K meraciemu prístroju sa môže dodávať, resp. dodatočne namerať takzvaná korekčná krivka.
Obr. 2.1. Korekčná krivka
Trieda presnosti prístroja: Je jedným z najdôležitejších parametrov prístrojov, vyjadruje jeho presnosť (kvalitu). Je to číslo z predpísaného radu presnosti: 0,05 - 0,1 - 0,2 - 0,5- 1 - 1,5 - 2,5 – 5, ktoré klasifikuje presnosť prístroja.
3. Elektromechanické meracie prístroje
Elektromechanické meracie prístroje sú analógové, ktoré prevádzajú meranú veličinu na údaj ukazovateľa. Výchylka je úmerná meranej veličine a jej zmena je spojitá. Sú konštruované na princípe využitia vzniku mechanického momentu pôsobením magnetických resp. elektrických polí. Energia na vytvorenie výchylky sa získava z meraného objektu, čo je na jednej strane výhoda pretože prístroj nepotrebuje prídavný zdroj, no na druhej strane zaťažuje meraný objekt. Sú konštrukčné jednoduché a spoľahlivé. Nevýhodou je však nižšia presnosť (hlavne na začiatku stupnice), pomalosť a pri niektorých systémoch úzke frekvenčné pásmo a nezanedbateľný vnútorný odpor.
3.1Analógové meranie prúdu a napätia elektromechanickými prístrojmi :
Pri analógovom meraní jednosmerných veličín voľba vhodného meracieho prístroja závisí, od požadovanej presnosti merania, od možnosti zaťaženia meraného objektu, od veľkosti meranej veličiny, od úrovne a povahy rušenia, od dostupnosti meracieho prístroja a od ďalších faktorov špecifických pre dané meranie. Pri výbere optimálneho prístroja na meranie konkrétneho striedavého napätia alebo prúdu s harmonickým časovým priebehom, je potrebné okrem hľadísk uplatňovaných pri výbere jednosmerného prístroja vziať do úvahy aj ďalšie skutočnosti. Pred meraním musíme vedieť, ktorú z definovaných hodnôt striedavých veličín chceme merať – efektívnu, strednú alebo maximálnu. Ak to nie je na prístroji zvlášť vyznačené, znamená to, že meria efektívnu hodnotu. Meracie prístroje bývajú štandardne kalibrované na efektívnu hodnotu. Na meranie striedavých harmonických priebehov môžeme napríklad použiť magnetoelektrický prístroj s usmerňovačom. Problém však nastane, ak budeme chcieť použiť magnetoelektrický prístroj s usmerňovačom na meranie neharmonických priebehov.Na meranie neharmonických priebehov môžeme napríklad použiť magnetoelektrický prístroj s termočlánkom, ktorý ma oproti magnetoelektrickému prístroju s usmerňovačom prednosť v tom, že meria efektívnu hodnotu bez ohľadu na to, či je meraná veličina harmonická alebo neharmonická. Pravú efektívnu hodnotu (true RMS) nám ukazujú aj feromagnetické (elektromagnetické) meracie prístroje. Pre svoju frekvenčnú závislosť však nie sú veľmi vhodné pre meranie neharmonických priebehov. Feromagnetické prístroje (s otočným jadrom) majú pomerne dobrú preťažiteľnosť a to po elektrickej ako aj mechanickej stránke, určené sú hlavne pre „hrubé“ merania. U obvyklých meracích prístrojov (analógových i číslicových) platí indikácia efektívnej hodnoty len pre sínusové priebehy napätia alebo prúdu. Aby sme mohli efektívnu hodnotu („pravú efektívnu hodnotu“, true RMS) indikovať správne, musí merací prístroj analógovými alebo digitálnymi prostriedkami realizovať zodpovedajúci matematický vzťah. Takéto meranie nám zabezpečí iba merací prístroj, ktorý je schopný merať veličiny v požadovanom rozsahu napätia alebo prúdu a v požadovanom frekvenčnom rozsahu podľa vzťahov:
3.2 Značky a symboli na meracívh prístrojoch
Všetky charakteristické vlastnosti meracieho prístroja musia byť vyznačené na stupnici pomocou značiek určených normou. Sú to obvykle tieto údaje: značka výrobcu, jednotka meranej veličiny, výrobné číslo, značka správnej polohy stupnice pri meraní, značka meracieho systému, druh prúdu, trieda presnosti, skúšobné napätie. nominálne hodnoty meracích rozsahov, značka príslušenstva alebo iných oddelených častí rôzne upozornenia pri použití prístroja a pod.
Značka |
Systém |
Použitie |
|
|
Magnetoelektrický |
voltmetre, ampérmetre na jednosmerný prúd |
|
|
Magnetoelektrický s usmerňovačom |
voltmetre, ampérmetre na » prúd |
|
|
Feromagnetický |
voltmetre, ampérmetre na » i = prúd |
|
|
Elektrodynamický |
wattmetre |
|
|
Elektrodynamický tienený |
wattmetre |
|
|
Ferodynamický |
wattmetre |
|
|
Rezonančný (vibračný) |
frekventomery |
|
|
Indukčný |
elektromery |
|
|
Prístroj s otočným magnetom |
|
Pomerový ferodynamický prístroj |
|
|
Pomerový prístroj s otočným magnetom |
|
Neizolovaný termoelektrický článok |
|
|
Pomerový elektrodynamicky prístroj |
|
Izolovaný termoelektrický článok |
|
|
Pomerový feromagneticky prístroj |
|
Magnetické tienenie |
|
|
Pomerový indukčný prístroj |
|
Elektrostatické tienenie |
3.3 Časti prístroja
a)Merací systém: Má pevnú a pohyblivú časť, ktorá sa najčastejšie vykonáva otočný pohyb. Využíva sa silové pôsobenie elektrických veličín, meraná veličina vytvorí moment systému, ktorý otáča pohyblivou časťou, na ktorej je upevnená ručička. Moment systému závisí vždy od meranej veličiny, ale pre rôzne meracie systémy sa vypočíta inak. Proti momentu systému pôsobí direktívny (riadiaci) moment, ktorý vytvárajú direktívne pružiny. Často slúžia aj na prívod prúdu do otočnej časti. Ak sa obidva momenty rovnajú, ručička ukazuje výchylku, ktorá je úmerná veľkosti meranej veličiny. Ak je meraná veličina nulová, direktívne pružiny zabezpečujú nulovú polohu ručičky. Podľa princípu, na ktorom je založený merací systém rozlišujeme meracie prístroje s rôznymi meracími systémami na: magnetoelektrické, elektrodynamické, ferodynamické, feromagnetické, indukčné, elektrostatické, vibračné, tepelné.
b) Zobrazovacie (indikačné) zariadenie:Je to zariadenie na odčítanie hodnoty meranej veličiny. Umožňuje určiť veľkosť meranej veličiny.
Má dve časti:
a) ukazovateľ, indikuje polohu pohyblivej časti meracieho systému, najčastejšie to je ručička
b) číselník, usporiadaný súbor značiek spolu s priradeným číslovaním, ktorý tvorí časť zobrazovacieho zariadenia prístroja, je na ňom zobrazená stupnica a značky, ktoré udávajú:
- druh prístroja napr. A, V, W, Ω, Hz ...
- vnútorný odpor prístroja napr. 5000 Ω/V, 60V - 2000Ω
- merací systém (značky sú uvedené vyššie pri názve systému)
Zisťovanie hodnoty meranej veličiny analógovým prístrojom:
- počkáme, kým sa ručička ustáli
- odčítame výchylku (pozeráme sa kolmo) v dielikoch vrátane ich zlomkov
- vynásobíme výchylku konštantou
Výchylku ukazovateľa analógového meracieho prístroja je možné odčítať s presnosťou maximálne asi 0,1 %.
- pracovná poloha napr. zvislá ┴,vodorovná , šikmá <
3.4 Magnoelektrické prístroje
Princíp systému je založený na silovom pôsobení magnetického poľa na vodič, ktorým tečie elektrický prúd. V skutočnosti je týmto vodičom cievka, ktorá je otočne uložená medzi pólmi permanentného magnetu. Cievkou tečie meraný prúd, ktorý sa do cievky privádza direktívnymi pružinami. Oska cievky je pevne spojená s ručičkou prístroja. Výchylka závisí priamoúmerne od meraného prúdu. Magnetoelektrické prístroje merajú strednú hodnotu veličiny. Systém nie je možné použiť na meranie striedavých veličín, pretože výchylka je úmerná strednej hodnote veličiny za jednu periódu a bola by nulová. Presnosť magnetoelektrických prístrojov je vysoká a vyrábajú sa v najvyšších triedach presnosti 0,1 a 0,2. Magnetoelektrické prístroje nemajú veľkú preťažiteľnosť.
Vlastnosti prístrojov s magnetoelektrickým systémom: používa sa na meranie jednosmerného prúdu a napätia, meria strednú hodnotu, lineárna stupnica, vysoká citlivosť a presnosť, malý vplyv cudzích magnetických polí (silný permanentný magnet), malá preťažiteľnosť, malá spotreba, citlivosť na mechanické otrasy, široké meracie rozsahy.
Obr. 3.1. magnetoelektrický prístroj a) konštrukčné usporiadane, b) silové pôsobenie na závit
PM- permanentný magnet, PN- pólové nadstavce, R- ručička, J- jadro, N- nosník z neferomagnetického materiálu, C- cievka, VZ- vyvažovacie závažia, MB– magnetický bočník
3.5 Magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom
Výhodnou vlastnosťou magnetoelektrických prístrojov je ich malá spotreba. Preto sa magnetoelektrické prístroje konštruujú s usmerňovačom pre meranie striedavých veličín. V súčasnosti sa používajú rôzne typy polovodičových usmerňovačov. Ako magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom sú konštruované mikroampérmetre, miliampérmetre, ampérmetre, voltmetre, i univerzálne meracie prístroje.
Obr. 3.2. Dvojcestné zapojenie usmerňovača
a- mostíkové, b- polomostíkové
3.6 Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom
Druhú možnosť merania striedavých veličín pomocou magnetoelektrického systému poskytuje jeho spojenie s termoelektrickým článkom (termočlánkom). Pri tejto kombinácii dochádza k premene striedavého prúdu na jednosmerné termoelektrické napätie. Termoelektrický článok vznikne spojením (zvar, spájkovanie) dvoch vodičov z rôznych kovov, ktoré majú rôznu výstupnú pracú elektrónov do referenčného okolia (ovzdušia). Ak spoj zohrejeme na teplotu T a druhé konce vodičov ostanú ,,studené“ (na teplote okolia T0), potom medzi týmito koncami vznikne tzv. termoelektrické napätie, ktorého veľkosť bude približné úmerná rozdielu oboch teplôt.
Ut=kt(T-T0)=Kt.▲T Kde kt je konštanta závislá od oboch materiálov.
Ak na ohrev teplého spoja použijeme meraný striedavý prúd, je oteplenie funkciou jeho efektívnej hodnoty. Potom i termoelektrické napätie a aj výchylka magnetoelektrickeho pristroja je úmerná kvadrátu efektívnej hodnoty meraného prúdu.Magnetoelektricky pristroj s termočlánkom merania i udáva efektívnu hodnotu meranej veličiny. Údaj pristroja je v širokom rozsahu nezávislý od tvaru krivky prúdu a od frekvencie. Možno ním merať prúdy o kmitočte radovo 106 až 108 Hz.Termočlánky určené pre meracie prístroje môžu byt so stykom priamym obr a, keď je termočlánok galvanicky spojený s obvodom meraného prúdu. Odovzdávanie tepla je veľmi účinné, pristroj je citlivý. Tento spôsob je vhodnejší pre meranie malých prúdov.
Obr. 3.3. Termočlánky
a - s priamym stykom
b – s nepriamym stykom
Pri nepriamom styku obr. b je spoj termočlánku zaliaty spolu s časťou výhrevného drôtu do sklenej perličky, číže obe časti sú navzájom galvanicky izolovane. Odovzdávanie tepla je menej dokonale, ale pristroj je bezpečnejší i pre meranie väčších prúdov. Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom sa vyrábajú ako ampérmetre v rozsahu od 1 mA do 10 A so vzduchovým chladením, so špeciálnymi chladiacimi rebrami až do 100 A. Bežne sa vyrábajú v triede presnosti 1,5 až 2,5, špeciálnou konštrukciou sa dá dosiahnuť trieda presnosti 0,5. Najčastejšie bývajú jednorozsahové. Voltmetre s termočlánkom sa vyrábajú s vlastným rozsahom od niekoľko desatín V do 1 V, pre vyššie rozsahy 1,2 až 500 V sú potrebné predradné ohmické odporníky pre zachovanie frekvenčnej nezávislosti. Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom sú málo preťažiteľné a majú relatívne vysokú dobu ustálenia výchylky najmä pri nepriamom spojení. Najčastejšie sa používajú pri meraní neharmonických priebehov v regulačnej a impulznej technike i vo výkonovej elektronike.
3.7 Feromagnetické meracie prístroje
Princíp činnosti feromagnetického pristroja spočíva v silovom pôsobení magnetického poľa cievky, vytvoreného meraným prúdom, na feromagnetické teliesko (jadro). Konštrukčne je riešený ako systém s plochou cievkou, systém s valcovou cievkou a systém s obvodom z magneticky vodivého materiálu, v ktorom otočne uložený pliešok zmenšuje magnetický odpor obvodu.
Feromagnetický prístroj s plochou cievkou: Konštrukčné principiálne vyhotovenie prístroja s plochou cievkou s jedným feromagnetickým telieskom. Pliešok z magneticky mäkkého materiálu je vplyvom magnetického poľa cievky vťahovaný do úzkej medzery cievky. Pliešok musí byť excentricky upevnený na osičke.
Obr. 3.4. Feromagnetický prístroj s plochou cievkou a- konštrukčné usporiadanie, b- princíp činnosti, R- ručička, P- pliešok, ŠP- špirálová pružina, VZ- vyvažovacie závažia, RA- ramienko, V- valček, C- cievka, os- oska
Feromagnetický prístroj s kruhovou cievkou: Prístroj s kruhovou cievkou sa skladá z pevnej valcovej cievky, v jej vnútri sú dva feromagnetické pliešky, jeden je upevnený otočne na oske, druhý je pevný a môže pozostávať aj z viacerých častí
Obr. 3.5. Feromagnetický prístroj s valcovou cievkou
a- konštrukčné usporiadanie, b- vznik ťažnej sily plieškov
Vlastnosti a použitie feromagnetických prístrojov :Feromagnetické prístroje pracujú ako ampérmetre a voltmetre. Merajú jednosmerné a striedavé veličiny, používajú sa však prevažne na meranie striedavých veličín, pretože pri meraní jednosmerných veličín sa uplatňuje jednosmerná chyba. Jednosmerná chyba je spôsobená zvyškovým rermanentným magnetizmom plieška, spôsobeným predchádzajúcim meraním. Dá sa takmer úplne vylúčiť použitím vhodného materiálu plieškov s malou koercitívnou silou.Zmeny rozsahov ampérmetrov sa realizujú prepínaním počtu závitov cievky. Každý rozsah má samostatnú stupnicu. V presných prístrojoch možno zmenu rozsahu uskutočniť prepínaním sekcií cievky paralelne alebo do série (cievka sa skladá z niekoľkých navzájom elektricky i magneticky rovnocenných sekcií). Zväčšovanie rozsahov použitím bočníkov sa nepoužíva kvôli nehospodárnej kompenzácii.Zmeny rozsahov voltmetrov sa uskutočňujú predradenými rezistormi, môžu sa kombinovať s prepínaním odbočiek cievky. Feromagnetické prístroje majú najrozšírenejšie použitie ako rozvádzačové prístroje na meranie prúdu a napätia priemyselnej frekvencie 50 Hz. Použitím plieškov z vysokokvalitných materiálov sú používané aj ako laboratórne prístroje.
Obr. 3.6. Prepínanie rozsahov feromagnetického ampérmetra
a- odbočkami, b- prepínaním sekcií
3.8 Elektrodynamické meracie prístroje
Princíp činnosti elektrodynamických prístrojov spočíva v silovom pôsobení medzi pevnou a pohyblivou cievkou (cievkami pretekajú merané prúdy). Elektrodynamický prístroj pozostáva z pevnej cievky C1 a pohyblivej cievky C2. Pevná cievka je rozdelená na dve rovnaké časti, aby sa dosiahlo homogénne magnetické pole v mieste, kde sa pohybuje pohyblivá cievka. Prúd do pohyblivej cievky sa privádza špirálovými pružinami, ktoré vytvárajú direktívny moment.Tlmenie je vzduchové, ručička spolu s vyvažovacími závažiami je umiestnená na spoločnej oske. Elektrodynamické prístroje používame ako ampérmetre, voltmetre a wattmetre.
Obr. 3.7. Elektrodynamický prístroj
a- konštrukčné usporiadanie, b- silové pôsobenie
C1- pevná cievka, C2- pohyblivá cievka, VT- vzduchové tlmenie, R- ručička
3.9 Indukčné prístroje
Princíp činnosti indukčných prístrojov spočíva vo využití silových účinkov nepohyblivých striedavých magnetických polí na prúdy indukované týmito poľami vo vodivých pohyblivých neferomagnetických častiach. Rovnaké pôsobenie, aké vyvoláva striedavé pole, sa dá vyvolať otáčaním permanentného magnetu. Takýto princíp využívajú elektromechanické otáčkomery, ktoré zaraďujeme medzi indukčné prístroje. Prístroj vytvára silné vlastné magnetické pole, preto vplyv cudzích magnetických polí je nepatrný. Indukčné prístroje sa v súčasnosti používajú výhradne ako merače elektrickej energie.Rozdiel medzi prístrojmi s direktívnym momentom (ampérmeter, voltmeter, wattmeter) a elektromerom je iba v tom, že kotúč sa otáča a počet otáčok registruje počítadlo. Elektromery nemajú direktívny moment, proti momentu systému pôsobí brzdný moment Mb.
Obr. 3.8. Princíp indukčného prístroja s dvoma striedavými magnetickými tokmi
EM1,EM2 –elektromagnety, R- ručička, Š- direktívna špirála, PM- permanentný magnet, K- kotúč
4. Elektronické meracie prístroje
Jedným z nedostatkov analógových meracích prístrojov je, že energia potrebná na dosiahnutie výchylky je odoberaná z meraného objektu, čím sa porušuje jedna zo základných zásad merania – meraný objekt nemá „vedieť“ o tom, že je meraný. Problém riešia elektronické meracie prístroje, u ktorých samostatný napájací zdroj nahrádza odber energie z meraného objektu a tým znižuje chybu vzájomným ovplyvňovaním. Meraná veličina má len funkciu riadiacu. Súčasná elektronika umožňuje zmenšiť pôsobenie mnohých ďalších zdrojov chýb a tak zvýšiť presnosť týchto meracích prístrojov. Najbežnejšími elektronickými meracími prístrojmi sú voltmetre. Ich funkciu možno vyjadriť blokovou schémou:
VO – vstupný obvod (delič napätia alebo zosilňovač), musí mať veľký vstupný odpor
U/I – prevodník napätia na prúdový signál (väčší frekvenčný rozsah)
OP – odčítací prístroj
5. Generátory
V meracej technike potrebujeme aj meracie signály rôznej veľkosti, frekvencie a časového priebehu. Zdroje, ktoré dodávajú signály týchto vlastnosti zaraďujeme pod spoločný názov generátory. Generátor je zariadenie alebo algoritmus na vytváranie vopred definovaných elementov (entít). Generátory dodávajú do elektrického obvodu signály rôznej veľkosti, frekvencie a časového priebehu.
Základné parametre a požiadavky na generátory:
- kvalita tvaru vytvoreného signálu (THD, linearita, čelo, tylo, zvlnenie, ...)
- preladenie a stabilita frekvencie výstupného signálu (rozsah preladenia, stabilita frekvencie, fázový šum, spektrálna čistota, skreslenie n-tou harmonickou, ...)
- veľkosť výstupného signálu (rozsah, presnosť nastavenia, stabilita)
- výstupná impedancia (obyčajne 50Ω, 300Ω) a typ výstupu (symetrický, nesymetrický, zemnený, plávajúci)
- príslušenstvo a doplnky
Dajú sa rozdeliť na generátory:
- sínusové: nf, vf, vvf – nad 50MHz, rozmietávacie
- nesínusové: obdĺžnikové, ihlové, trojuholníkové, pílové, iné
- špeciálne – televízne
5.1 Nízkofrekvenčné generátory
Vyrábajú nízkofrekvenčný harmonický signál vo frekvenčnom rozsahu minimálne 20 Hz až 20 kHz. Požaduje sa plynulá zmena frekvencie s dekadickým prepínaním rozsahov, ako aj stupňovitá a plynulá zmena výstupného napätia v rozsahu hodnôt od asi 100 µV do 10 V. Skreslenie výstupného napätia má byť menšie ako 1 %, pre kvalitné generátory menšie ako 0,1 %. Budiacim stupňom všetkým generátorov je oscilátor LC alebo RC. Frekvencia generovaného napätia v oscilátore LC je daná rezonančnou frekvenciou obvodu LC
RC generátory
V generátoroch RC je základným zdrojom signálu oscilátor RC, preto je frekvencia generovaného signálu v oblasti od Hz do niekoľkých MHz. Harmonický oscilátor RC je spätnoväzbová sústava tvorená zosilňovačom a RC obvodom zapojeným tak, aby bola splnená amplitúdová a fázová podmienka vzniku oscilácií. Z hľadiska čo najjednoduchšieho ladenia sú výhodné RC obvody s malým počtom rezistorov a kondenzátorov. Počet RC článkov však nemôže byť menší ako dva, inak oscilátor nebude kmitať. Za oscilátor RC sa zaraduje zosilňovač, ktorý plní funkciu oddeľovacieho stupňa OS. Celkový frekvenčný rozsah 10 Hz až 1 MHz je rozdelený do 5 dekadických podrozsahov.
Obr. 5.1. Bloková schéma generátora RC
OS – oddeľovací stupeň, MD – merací detektor, VD – výstupný delič
LC generátory
Používajú sa na výrobu sínusových kmitov. Zdrojom je paralelne zapojený LC obvod, ktorého frekvencia . Ak meníme L alebo C, meníme aj jeho frekvenciu. V týchto generátoroch je základným zdrojom signálu niektorý z mnohých typov oscilátorov LC. Generátory LC pokrývajú frekvenčné pásmo od stoviek kHz do stoviek MHz. Najčastejšie sa používajú tzv. trojbodové oscilátory. Nevýhodou je veľké nelineárne skreslenie.
Záznejové generátory
V záznejových generátoroch sa frekvencia f výstupného signálu odvodzuje od frekvencii f1 a f2 dvoch pomocných generovaných signálov. Frekvencia f1 je pevná a je o niečo nižšia, ako je minimálna frekvencia pásma, v ktorom sa prelaďuje frekvencia f2. Signály týchto dvoch frekvencii generujú dva oscilátory LC, z ktorých jeden je laditeľný. Obidve frekvencie f1 a f2 sú vyššie, ako výsledná frekvencia f, ktorá sa vytvára v zmiešavači ako rozdiel frekvencii f1 a f2. f = f2 – f1. Veľkou výhodou záznejových generátorov je ich široká relatívna preladiteľnosť (až 1000 : 1). Preto možno generovať signál v jednom frekvenčnom pasme od nízkych až po vysoké frekvencie. Ich nedostatkom je nízka stabilita frekvencie, ktorá sa zmenšuje smerom k nižším frekvenciám. Druhou nevýhodou záznejových generátorov je horšia harmonická čistota výstupného signálu.
Obr. 5.2. Bloková schéma nf záznejového generátora
O1, O2 – oscilátor, OS – oddeľovací stupeň, ZM – zmiešavač, F – filter, Z – zosilňovač, VD – vstupný delič, MZ – meracie zariadenie
5.2 Vysokofrekvenčné generátory
Vysokofrekvenčné generátory pokrývajú pásmo frekvencii od stoviek kHz do GHz. V dolnej časti frekvenčného pásma sa konštruujú väčšinou s oscilátormi LC so sústredenými parametrami. Vysokofrekvenčné generátory môžu vytvárať signály harmonické, ale i modulované, alebo harmonické s frekvenčným rozmietaním. Na vysokofrekvenčné generátory pre laboratórne účely sa kladú nasledujúce požiadavky: dostatočný frekvenčný rozsah, čo najpresnejšie nastavenie a odčítanie frekvencie s jemným rozlaďovaním, vysoká stabilita frekvencie, možnosť odčítania výstupného napätia, použitie amplitúdovej AM, frekvenčnej FM, príp. impulzovej IM modulácie, malý výstupný odpor, obyčajne 50, 60 alebo 75Ω, dokonalé tienenie.
Obr. 5.3. Bloková schéma vysokofrekvenčného generátora s amplitúdovou moduláciou
VFO – vysokofrekvenčný oscilátor, OS – oddeľovací stupeň, AM – amplitúdový modulátor, VD – výstupný delič, NFO – nízkofrekvenčný oscilátor, NFZ – nízkofrekvenčný zosilňovač, VFV – vysokofrekvenčný voltmeter, NFV – nízkofrekvenčný voltmeter
5.3 Rozmietač
Rozmietače sa používajú na zobrazenie celej frekvenčnej charakteristiky súčasne a odstraňujú prácne postupné meranie frekvenčných charakteristík a aktívnych prvkov. Aby sme mohli zobraziť celú frekvenčnú charakteristiku na obrazovke osciloskopu, treba aby sa počas periódy časovej základne osciloskopu zmenila frekvencia rozmietača v potrebnom rozsahu frekvencii fmin a fmax. Podľa veľkosti zdvihu môžeme rozmietače rozdeliť na:
- rozmietače s malým frekvenčným zdvihom
- rozmietače s veľkým frekvenčným zdvihom
Pri rozmietačoch s malým frekvenčným zdvihom (frekvenčných modulátoroch) sa frekvencia mení v malom rozpätí okolo strednej frekvencie fs. Frekvencia f sa mení väčšinou zmenou kapacity v rezonančnom obvode oscilátora f = f (C).
Zmena proti strednej frekvencii f, býva malá, asi 5% fs. Kapacita sa mení zväčša napätím časovej základne, čo najviac zabezpečí aj synchronizáciu medzi rozmietačom a osciloskopom. Ako premenlivú kapacitu možno použiť:
a) vibračný kondenzátor, ktorý má jednu elektródu pevnú a druhá je pohyblivá, pripevnená na kmitajúcej cievke
b) otočný kondenzátor, pri ktorom sa kapacita mení otáčaním elektród pomocou motorčeka
c) reaktančnú elektrónku
d) polovodičovú diódu (varikap)
Základnú frekvenciu volíme podľa frekvenčného pásma meraného objektu. Detektor sa používa na odstránenie zložky napätia vf a na osciloskope sa zobrazí len obalová krivka. Rozmietač sa synchronizuje časovou základňou.
Obr. 5.4. Bloková schéma zapojenia na zobrazenie frekvenčnej charakteristiky
R – rozmietavač, D – detektor, Z- vertikálny zosilňovač osciloskopu,
ČZ – časová základňa osciloskopu, MO – meraný objekt
Obr. 5.5. Bloková schéma rozmietavača s väčším frekvenčným zdvihom
O1- oscilátor, RO – rozmietací oscilátor, S – zmiešavač, D – detektor,
ČZ – časová základňa, MO – meraný objekt
5.4 Generátory tvarových napätí
Generátory tvarových napätí sú zdroje, ktoré dávajú na výstupe signál s obdĺžnikovým, pílovitým a trojuholníkovým priebehom napätia. Požiadavkou, okrem preladiteľnosti, je čo najvyššia lineárnosť, číže priebeh sa musí skladať z lineárnych úsekov, pri ktorých sa jeho úroveň nemení, lineárne narastá alebo klesá, prípadne sa skokom mení. Najčastejšie používaným meracím zdrojom je generátor obdĺžnikového napätia. Možno ho získať pretvarovaním harmonického napätia v reťazci, ktorého členy tvoria striedavo za sebou nasledujúce obmedzovače a zosilňovače.
Obr. 5.6. Princíp získania obdĺžnikového napätia pretvarovaním
Obr. 5.7. Principiálny obvod na získanie pílovitého napätia
5.5 Ďalšie generátory
Generátory AM signálov
Generátory amplitúdovo modulovaných (AM) signálov sa robia pre oblasť vysokých frekvenciíi. Pri amplitúdovej modulácií sa ovplyvňuje amplitúda nosného signálu modulačným signálom. m=Um/Un
Kde Um je amplitúda modulačného signálu a Un je amplitúda nosného signálu. Hĺbka modulácie sa obyčajné vyjadruje v %. Generátory AM signálov musia obsahovať laditeľný oscilátor ako zdroj nosného signálu.
Generátory FM signálov
Generátory frekvenčne modulovaných (FM) signálov majú frekvenciu výstupného signálu závislú od veľkosti modulačného signálu. Základným parametrom FM signálu je frekvenčný zdvih, ktorý predstavuje maximálnu zmenu frekvencie na jednu aj na druhú stranu nosnej frekvencie. Pri frekvenčnej modulácii sa modulačným signálom priamo mení frekvencia oscilátora, ktorý vytvára nosnú frekvenciu. Možno k tomu použiť kapacitnú diódu (varikap). Pri prelaďovaní oscilátora sa však mení niektorá reaktancia rezonančnej sústavy oscilátora, čo vedie k zmene frekvenčného zdvihu aj napriek tomu, že sa nemení veľkosť modulačného signálu ani veľkosť zmeny kapacity varikapu použitého ako modulačný prvok.
Generátory špecialných priebehov
Do tejto skupiny generátorov patria generátory vytvárajúce rôzne postupnosti impulzov (napr. synchronizačná zmes pre televízne systémy), pílovité, trojuholníkové, a schodové priebehy a iné. Patria sem aj modulové generátory. Tvar generovaného signálu je daný základným zdrojom signálu generátora.
6. Elektronické voltmetre
Od vstupu až po výstup je signál spracovávaný a interpretovaný ako analógová veličina, ukazovateľ býva bežný elektromechanický prístroj. Umožňujú merať napätie v rozsahu od niekoľko μV do kV, pričom napätie môže byť jednosmerné aj striedavé s frekvenciou meniacou sa od niekoľko Hz do GHz. Pozostávajú z dvoch hlavných častí: ukazovacej (klasický elektromechanický prístroj) a elektronickej.
6.1 Jednosmerné elektronické voltmetre
Vstupným deličom napätia D možno meniť rozsah prístroja v požadovaných rozpätiach. Za ním je zapojený zosilňovač Z na ktorého výstup sa pripája merací prístroj M. V novších prístrojov sa používajú diferenciálne OZ, kde spätnou väzbou možno riadiť zosilnenie a veľkosť vstupnej a výstupnej impedancie.
Obr. 6.1. Jednosmerný elektronický voltmeter
Na meranie veľmi malých hodnôt napätia sa používajú jednosmerné elektronické voltmetre s modulátorom. Merané napätie Ux sa privádza na modulátor M cez vstupný obvod VO (delič napätia - filter) v ktorom nastane premena jednosmerného napätia na striedavé. Striedavé napätie sa zosilní v striedavom nízkofrekvenčnom zosilňovači Z a usmerní v detektore D. Výsledne napätie sa odmeria jednosmerným voltmetrom a je úmerné meranému jednosmernému napätiu.
Obr. 6.2. Jednosmerný elektronický voltmeter s modulátorom
Jednosmerné elektronické voltmetre s operačným zosilňovačom
Tranzistorové voltmetre majú ohraničenú citlivosť rádovo stovky mV. Ich vyššia citlivosť je obmedzená použitým zosilňovacím prvkom – tranzistorom. Na meranie napätí rádovo mV treba zosilnenie okolo 1 000. Preto majú priemyselne vyrábané voltmetre integrované obvody – operačné zosilňovače, ktoré dosahujú napäťové zosilnenie s rozpojenou slučkou spätnej väzby 105 až 106. Príklad zapojenia jednoduchého voltmetra s operačným zosilňovačom.
Obr. 6.3. Jednosmerný elektronický voltmeter s operačným zosilňovačom
6.2 Striadavé elektronické voltmetre
Striedavé elektronické voltmetre obsahujú tri základné časti a to usmerňovač, zosilňovač a merací prístroj. Podľa spôsobu zapojenia ich delíme na voltmetre usmerňovač-zosilňovač a voltmetre zosilňovač-usmerňovač.
Usmerňovač-zosilňovač
Obr. 6.4. Usmerňovač-zosilňovač
Označujú sa tiež ako diódové, pretože majú na vstupe diódu. Umožňujú meranie striedavých hodnôt napätí vysokých frekvencii, rádove až GHz. Ich nevýhodou je nelinearita charakteristiky diódy na začiatku. Používajú sa na meranie napätí až od 1V.
Zosilňovač-usmerňovač
Obr. 6.5. Zosilňovač-usmerňovač
Používajú sa ako milivoltmetre a vzhľadom na požiadavky na striedavý zosilňovač možno nimi merať maximálne do frekvencie desiatok MHz.
7. Galvanometre
Galvanometre sú veľmi citlivé meracie prístroje, ktorými sa merajú alebo len indikujú veľmi malé prúdy a napätia, pripadne aj náboje prúdových impulzov. Ich stupnica spravidla nebýva číslovaná v žiadnych jednotkách, ale je delená ľubovoľnými dielikmi najčastejšie s milimetrovým delením a nulou uprostred. Veľká citlivosť sa v galvanometroch dosahuje malým riadiacim momentom závesných vlákien alebo optickým zväčšením malých uhlových výchyliek pomocou svetelného ukazovateľa. Podľa druhu meraného prúdu galvanometre delíme na jednosmerné a striedavé.
Galvanometer na jednosmerný prúd
Najpoužívanejšie galvanometre na jednosmerný prúd majú magnetoelektrickú sústavu. Podľa spôsobu použitia ich možno rozdeliť do dvoch skupín: galvanometre na indikáciu minimálnych prúdov alebo napätí, a galvanometre na výchylkové meranie.
Galvanometre so svetelnou stopou
Citlivé galvanometre majú otočný mechanizmus uložený na závese a výchylka sa indikuje opticky. Svetelný tok zo zdroja svetla je sústredený jednoduchým optickým zariadením do úzkeho zväzku lúčov odráža sa zrkadlom, ktoré je uložené na otočnej časti meracieho mechanizmu a dopadá na matné sklo so stupnicou. Odraz môže byť použitím pevných zrkadiel aj niekoľkonásobný. Tým sa dosiahne zväčšenej citlivosti pri zachovaní malých rozmerov.
Obr. 7.1. Predĺženie dĺžky lúča zrkadlového galvanometra
1- žiarovka, 2- objektív, 3- clona, 4- galvanometer so zrkadlom, 5- rovinné zrkadlá, 6- stupnica galvanometra
8. Meranie odporov
8.1 Definícia, značky, základné rozdelenie
Elektrický odpor je vlastnosť látok vyjadrujúca schopnosť „odporovať“ prietoku elektrického prúdu cez látku. Jednotka elektrického odporu ako veličiny je ohm (Ω). Súčiastka, ktorej základnou požadovanou vlastnosťou je realizovať určitú veľkosť elektrického odporu, sa nazýva odporník (rezistor, ľudovo odpor). Čiže odpor (rezistancia) je fyzikálna veličina a odporník (resp. rezistor) je technický objekt. Odporník je dvojpólová prípadne trojpólová (s odbočkou), pasívna, lineárna, odporová súčiastka, ktorá realizuje veličinu – elektrický odpor. Odporník nemá mať parazitnú – zvyškovú indukčnosť a kapacitu. Ideálny odporník vytvára pri prechode prúdu tepelné pole, nevytvára elektrické ani magnetické pole. Odporníky s nastaviteľnou hodnotou odporu nazývame trimre, potenciometre a reostaty.
Schématické značky:
Obr. 8.1. Schématické značky
8.2 Rady menovitých hodnôt, odchýlky, výkonové rady, značenie
Je pochopiteľné, že z ekonomických dôvodov nie je možné vyrábať nekonečný (spojitý) počet hodnôt odporu odporníkov. Odporníky sa vyrábajú v radoch s konečným počtom menovitých hodnôt: E6, E12, E24, E48, E96, E192. Číslo udáva počet hodnôt v jednej dekáde. V rade E6 sa vyrábajú hodnoty: 1-1,5-2,2-3,3-4,7-6,8.
Niektoré technologické typy odporníkov sa vyrábajú len v hrubších radoch. V praxi je tiež dôležité vedieť, aká je najmenšia a najväčšia vyrábaná hodnota daného technologického typu, napr. Rmin=2,2 Ω, Rmax=4,7 MΩ.Ďalším dôležitým parametrom odporníka je odchýlka odporu od menovitej hodnoty – tolerancia. Vyjadruje sa v percentách a značí písmenom za hodnotou odporu
Odporníky sa s ohľadom na rôzne prevádzkové výkonové zaťaženie vyrábajú vo výkonových radoch. Obvyklé hodnoty menovitých výkonov odporníkov:
Vrstvové: 0,005; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 25; 50; 100; 250W
Drôtové: 1; 2; 4; 6; 8; 10; 15; 25; 50; 75; 100; 150; 250; 500W.
Značenie odporníkov:symbolické v elektrických schémach, úplne typové značenie v rozpiskách (kusovníkoch) zostáv alebo na telese odporníka, skrátené značenie: napr. 1K2/F v schémach a na telesách miniatúrnych odporníkov, farebný čiarkový kód na telese odporníka.
Symbolické značenie v školských náučných schémach:
Príklady značenia hodnôt odporu:Písmeno v kóde hodnoty plní funkcie násobiteľa a desatinnej čiarky. Kód musí mať aspoň dve platné číslice:
2R2 alebo tiež 2J2= 2,2 Ω, 1k2= 1,2 kΩ = 1200 Ω, 1k0 = 1 kΩ, 4M7= 4,7 MΩ= 4,7.10 Ω, M22= 220 kΩ
Značenie hodnôt odporov farebným čiarkovým kódom:Hodnota odporu a tolerancia sa vyznačuje štyrmi niekedy piatimi farebnými pásikmi (pri tolerancii >± 20% štvrtý pásik chýba). Priradenie hodnôt k farbám udáva tabuľka (Pri piatich, prvé tri značia hodnoty).
8.3 Použitie odporníkov, trimrov a potenciometrov
Odporník je najčastejšie používaná súčiastka v elektronike, či ako samostatná – diskrétna súčiastka, alebo súčasť integrovaných obvodov.
Bez súčinnosti s inými prvkami sa používa na:
- nastavovanie (obmedzovanie) prúdu a napätia v obvodoch
- nastavovanie pracovného bodu nelineárnych zosilňovacích súčiastok
- v deličoch napätia a prúdu: útlmové články a dekády
- zmenu rozsahov meracích prístrojov ako predradníky a bočníky
V súčinnosti s inými prvkami sa odporníky používajú v časovacích a tvarovacích obvodoch, ako súčasť analógových a číslicových integrovaných obvodov, súčasť filtrov (tzv. RC pasívne alebo aktívne filtre), vo frekvenčných clonách a korektoroch, atď.
Premenné(nastaviteľné, regulovateľné) odporníky: trimre, potenciometre, reostaty
Odporníky s premennou hodnotou odporu umožňujú spojitú zmenu odporu a tým reguláciu napätia alebo prúdu v obvode. Budeme sa zaoberať iba prvkami so zmenou odporu mechanickým ovládaním regulačného prvku.
Trimer – je nastaviteľný odporník, ktorého odpor sa nastavuje zriedkavo (napr. pri výrobe, oživovaní, meraní) pomocou nástroja – skrutkovača, jeho ovládací prvok nie je vyvedený na panel (nie je prístupný pre užívateľa), má jednoduchú – nezakrytovanú konštrukciu. Trimre sa vyrábajú iba otočné a s lineárnym priebehom odporovej dráhy.
Potenciometer – je nastaviteľný odporník vybavený ovládacím prvkom – hriadeľom alebo posuvným jazdcom, ktoré sú vyvedené na ovládací panel výrobku a sú doplnené ovládacím gombíkom vhodným na priame ručné ovládanie.Používa sa na časté – rutinné ovládacie funkcie napr. ako prvok regulácie hlasitosti, jasu a podobne. Má zložitejšiu a zakrytovanú konštrukciu. Sú dva typy potenciometrov: posuvné a otočné. Priebehy odporovej dráhy: lineárny, exponenciálny, logaritmický a iné.Pod pojmom reostat sa všeobecne rozumie regulovateľný odporník. Niekedy sa ním rozumie robustná – výkonová konštrukcia nastaviteľného odporníka, používaná v elektrolaboratóriach ako bežné prístrojové vybavenie alebo ako regulačný prvok vo výkonových elektrotechnických zapojeniach. Dve základné zapojenia nastaviteľných odporníkov:
- reostatové, využíva iba dva vývody (v ľavej polohe jazdca je odporová dráha vyradená: R= 0, v pravej je medzi svorkami L a J úplná hodnota odporu R)
- potenciometrický delič napätia (v hornej polohe jazdca , v dolnej )
8.4 Meranie odporu
Odpory strednej veľkosti meriame priamo ohmetrami, ktoré sa nevyznačujú veľkou presnosťou. Používajú sa hlavne pri prevádzkových a montážnych prácach. Práca s nimi je pomerne jednoduchá a rýchla. Ohmetre bývajú tiež súčasťou univerzálnych meracích prístrojov.
Výchylkové metódy:Hodnota meraného odporu sa určuje z výchyliek meracích prístrojov. Najjednoduchší príklad výchylkovej metódy je Ohmová metóda.
Ohmova metódaHodnota neznámeho odporu sa určuje z Ohmovho zákona meraním prúdu prechádzajúceho neznámym odporníkom a meraním úbytku napätia, ktorý na ňom vzniká. Zapojenie ampérmetra a voltmetra do obvodu s neznámym odporom sa môže realizovať dvojakým spôsobom. Ak je voltmeter zapojený podľa (obr. a) je jeho údaj Uv rovnako veľký s napätím na neznámom odpore Ux. Ampérmeter ale udáva súčet prúdov Ia tečúcich odporníkom s neznámym odporom Ix a voltmetrom Iv. Neznámy odpor potom vypočítame z údajov meracích prístrojov ako
R´x=Uv/Ia
Porovnácia metóda:Meraný odpor Rx porovnávame s odporom známej veľkosti. Porovnávame buď úbytky napätí na oboch odporníkov (ak sú zapojené sériovo) alebo veľkosti prúdov tečúcich oboma odporníkmi (ak sú zapojené paralelne). Pripojením voltmetra raz na neznámy odpor Rx a druhý raz na známy odpor Rnzmeriame úbytky Ux a Un .
Obr. 8.7. Porovnávacia metóda merania odporov
Substitučná metóda:Substitučná metóda merania neznámych odporov je v podstate špeciálny prípad porovnávacej metódy. V zapojeniach nahradíme odporový normál odporovou dekádou a merania prevádzame tak, že prepínaním rozsahov odporovej dekády dosiahneme rovnaké výchylky na voltmetri, resp. na ampérmetri. Hodnota neznámeho odporu sa odčíta z odporovej dekády. Substitučná metóda je zdĺhavejšia ako metóda porovnávacia, ale je i presnejšia. Absolútna (i relatívna) chyba metódy je v oboch zapojeniach nulová, pretože Rx = Rn . Taktiež je nulová i chyba použitého voltmetra (ampérmetra), pretože odčítanie sa robí pri rovnakých výchylkách. Potom celková chyba meracej metódy je daná iba chybou odporovej dekády.
Mostíkové metódy:Tieto meracie metódy sú presnejšie ako výchylkové. Merací prístroj v mostíkovej metóde slúži k indikácii určitého stavu (najčastejšie nulového) a nie k odčítaniu hodnoty elektrickej veličiny potrebnej na vypočítanie neznámeho odporu. Neznámy odpor sa vypočíta z hodnôt jednotlivých odporníkov zapojených do jednotlivých vetiev mostíka v tzv. vyváženom stave.
Wheatstoneov mostík:Na meranie odporov strednej veľkosti sa najčastejšie používa Wheatstoneov mostík. Medzi uzly A-C, ktoré tvoria tzv. napájaciu diagonálu je zapojený zdroj jednosmerného napätia. Do meracej diagonály medzi uzly B-D je zapojený nulový indikátor, ktorým býva najčastejšie magnetoelektrický galvanometer. Vo vyváženom stave majú uzly B a D rovnaký potenciál a Ig = 0 (meracou diagonálou nepreteká žiaden prúd).
Obr. 8.10. Wheatstoneov mostík
8.6 Meranie malých odporov
Malé odpory patria do skupiny, u ktorých by mohla byt’ presnosť merania ovplyvnená prechodovými odpormi na svorkách, odpormi prívodov a termoelektrickými napätiami. Sem budeme zaraďovať odpory v rozsahu od 10-6 do 1Ω.
Obr. 8.11. Náhradné zapojenie k meraniu malých odporov
Výchylkové metódy:Sú to v podstate niektoré metódy vhodne prispôsobené pre meranie stredných odporov.
Ohmova metóda:Vzhladom na to, že ide o meranie malých odporov, treba aby mal meraný odporník prúdové a potenciálové svorky. Úbytky na meranom odporníku bývajú obyčajne veľmi malé, používa sa k meraniu milivoltmeter pre hodnoty asi do 10-3 Ω (pri prúdovom zaťažení meraného odporníka asi do 10 A),prípadne magnetoelektrický galvanometer pre hodnoty rádovo až 10-5
Obr. 8.12. Ohmova metóda
Porovnávacia metóda:Pre meranie malých odporov sa použiva sériové zapojenie, ktorého modifikácia predpokladá použitie prúdových a potenciálových svoriek a pre meranie úbytkov napätí použitie milivoltmetra, resp. vhodného magnetoelektrického galvanometra.
Obr. 8.13. Porovnávacia metóda
8.7 Meranie veľkých odporov
Pod meraním veľkých odporov budeme rozumieť meranie odporov väčších ako 1 MΩ. Sú to najčastejšie merania izolačných odporov káblov meranie povrchových odporov izolantov, meranie merných odporov izolantov, meranie zvodových odporov medzi elektródami a pod. Tieto merania sú ovplyvnené rôznymi činiteľmi ako sú teplota a vlhkosť vzduchu, veľkosť skúšobného napätia a doba jeho pôsobenia. druh prúdu a iné.
Ohmova metóda:Spôsob zapojenia meracích prístrojov je analogický ako pri meraní stredných odporov. Pretože ide o meranie veľkých odporov obyčajne sa zapájajú do obvodu namiesto ampérmetra galvanometer so známou prúdovou konštantou Ki. Aby sa odstránil vplyv zvodových prúdov na výchylku galvanometra, odporúča sa použiť pre zapojenie galvanometer s meraným neznámym odporom tienený vodič. Neznámy odpor sa určí z Ohmovho zákona Rx=U/I=U/Ki
U - úbytok napätia na odporníku Rx
α - výchylka galvanometra
Ki - prúdová konštanta galvanometra
Porovnávacia metóda:Pre meranie veľkých odporov je možné použiť aj porovnávaciu metódu s paralelným zapojením odporníkov. Keďže ide o meranie veľkých odporov, je výhodnejšie namiesto ampérmetra použiť galvanometer.
9. Meranie indukčnosti
9.1 Definícia, značky, základné vlastnosti a rozdelenie cievok
Cievka je dvojpólová reaktančná súčiastka, realizujúca veličinu resp. vlastnosť – vlastnú indukčnosť (ďalej v texte iba indukčnosť).Pozn.: často sa v textoch pojmy cievka a indukčnosť stotožňujú, správne je cievka konštrukcia – súčiastka, indukčnosť - ňou realizovaná vlastnosť.Jednotkou indukčnosti je henry (H), menšie jednotky: mH, µH. Cievka s masívnym jadrom a veľkou indukčnosťou (>xH) sa nazýva tlmivka.
Ideálna cievka (indukčnosť) je charakterizovaná menovitou hodnotou indukčnosti, vinutie cievky má nulový odpor, nemá parazitnú kapacitu, je lineárna a nemá straty ani v jadre.
Technická cievka má ohmický odpor, straty vo vinutí a v jadre (hysterézne a vírivými prúdmi), nie je dokonale lineárna a má kapacitu. Straty cievky sa vyjadrujú stratovým činiteľom alebo činiteľom kvality.
Lineárna cievka je taká, ktorej indukčnosť je konštantná, nezávislá od veľkosti napätia alebo prúdu. Uvedené fyzikálne definície nie sú pre prax veľmi užitočné, pretože tok a jeho zmeny sa merajú ťažko. V praxi sú potrebné vzorce pre indukčnosť vyjadrené konštrukčnými parametrami (počet závitov, tvar, rozmery) a vlastnosťami jadra cievky. U cievok neexistuje univerzálne platný vzorec pre všetky druhy a ich presnosť je niekedy malá.
Cievky rozdeľujeme podľa rôznych hľadísk: tvaru, počtu závitov, konštrukcie a jadra.
Najzákladnejšie delenie je podľa jadra: cievky bez jadra-vzduchové a cievky s magnetickým obvodom – jadrom.
Cievky s jadrom majú väčšiu indukčnosť ale aj nelinearitu. Cievka u ktorej sa využívajú silové účinky mg. poľa jadra sa nazýva elektromagnet.
Obr. 9.1. Značky cievok
Oblasti použitia cievok:
- súčasť ladených (rezonančných a viazaných rezonančných) obvodov (vstupných a medzifrekvenčných) prijímačov
-súčasť LC kmitavých obvodov oscilátorov a generátorov
-súčasť LC oznamovacích filtrov, fázovacích, oneskorovacích a tvarovacích obvodov
-filtračný prvok sieťových napájacích zdrojov – tlmivka
-tlmivka ako väzobný prvok v zosilňovačoch – tlmivková väzba
-umelé tzv. pupinačné cievky nf vedení na zníženie útlmu vedení
9.2 Meranie Indukčnosti
Na rozdiel od reálneho rezistoru alebo kondenzátora sa reálna cievka blíži k ideálnej iba zriedkavo. U reálnej cievky teda spravidla vždy uvažujeme stratový odpor, ktorý v náhradnom zapojení zapájame najčastejšie do série s ideálnou cievkou. Pri vysokých frekvenciách sa niekedy uvažuje aj kapacita medzi závitmi cievky.
Voltampérova metóda merania indukcnosti:Princíp merania indukčnosti je založený na odmeraní činného odporu cievky a jej impedancie voltampérovou metódou a následnom výpočte indukčnosti. Metóda je vhodná na meranie indukčnosti vzduchových cievok (bez feromagnetického jadra). Cievku pripojíme najprv na jednosmerný zdroj. Odmeriame DC napätie a prúd a pomocou ohmového zákona vypočítame činný odpor cievky. Potom cievku pripojíme na striedavý zdroj, odmeriame AC napätie a prúd a vypočítame impedanciu cievky.Zapojenie volíme podľa veľkosti impedancie cievky a odporu použitých prístrojov. Ak je impedancia cievky malá voči odporu voltmetra platí zapojenie (obr. a), ak je impedancia cievky pomerne veľká platí zapojenie (obr. b).
Obr. 9.6. Voltampérová metóda merania indukčností
Mostíkové metódy merania indukčnosti.Velmi známou a presnou metódou je Maxwell-Wienov mostík.
Obr. 9.8. Maxwell-Wienov mostík
10. Meranie kapacity kondenzátorov
10.1 Definícia, značky, základné rozdelenie kondenzátorov
Kondenzátor je dvojpólová reaktančná súčiastka, ktorá realizuje elektrickú veličinu – kapacitu, to je schopnosť akumulovať elektrický náboj a tým aj energiu v elektrickom poli medzi doskami kondenzátora. Základnou jednotkou kapacity je farad, čo je veľmi veľká kapacita, preto sa v praxi používajú menšie jednotky: mF, uF, nF, pF.
Značky kondenzátorov:
Obr. 10.1. Schematické značky
Základné rozdelenie kondenzátorov:Podľa konštrukcie: - s pevnou (konštantnou) kapacitou
- s meniteľnou kapacitou (dolaďovacie a ladiace)
- Podľa dielektrika: vzduchové, s papierovým dielektrikom, s metalizovaným papierom, s plastovou fóliou, sľudové, keramické, sklené, elektrolytické.
Použitie kondenzátorov:
- Vyhladzovací (akumulačný) prvok (filter) v napájacích zdrojoch
- Odeľovací – väzobný prvok, neprepúšťa (neprenáša) jednosmerné napätia a prúdy z jedného do druhého obvodu (napr. stupňa zosilňovača), ale umožňujú kvalitný prenos striedavých signálov (väzbu) medzi týmito obvodmi
- Súčasť selektívnych RC článkov, súčasť rezonančných obvodov a oscilátorov (LC, RC)
- Súčasť frekvenčných clon a korektorov
- Súčasť oznamovacích filtrov: dolnopriepustný (DP), hornopriepustný filter (HP), pásmová priepust (PP) a pásmová zádrž (PZ)
- Súčasť v tvarovacích obvodoch: derivačný a integračný obvod
- Súčasť v časovacích obvodoch: multivibrátory, monostabilné klopné obvody, časové základne generátorov a osciloskopov …
- V energetike na kompenzáciu jalových prúdov
Kondenzátor v jednosmernom obvode:
Obr. 10.4. Kondenzátor v jednosmernom obvode
Po pripojení kondenzátora na zdroj napätia U cez obmedzujúci rezistor R, sa vo vodičoch vytvorí elektrické pole, ktoré uvedie voľné nosiče náboja – elektróny do pohybu proti smeru elektrického poľa. Z povrchu dosky pripojenej na kladnú svorku zdroja sa postupne presúvajú elektróny na vnútornú plochu druhej dosky. Presun elektrónov predstavuje prúd, ktorý tečie v obvode (ten samozrejme cez dielektrikum neprechádza).
Na kladnej doske sa po určitom čase vytvorí kladný náboj +Q (teda nedostatok elektrónov voči neutrálnemu stavu) a na zápornej doske je nadbytok alektrónov – záporný náboj –Q. Zároveň vznikne medzi doskami napätie Uc=U. Veľkosť náboja akumulovaného v kondenzátore závisí od veľkosti napätia a kapacity kondenzátora: Q=C.U .
Medzi doskami vznikne homogénne el. pole s intenzitou: E =U/d.
Funkcia kondenzátora v striedavom obvode:
Pripojme kondenzátor s kapacitou C na zdroj harmonického
napätia u(t)=Um.sin(ωt). Pre slučku platí: uc(t)-u(t)=0
10.2 Meranie kapacity
Voltampérová metóda merania kapacít:Kondenzátor pripojíme na striedavý zdroj, voltmetrom odmeriame napätie na kondenzátore U, ampérmetrom prúd, ktorý tečie obvodom. Voltampérová metóda merania kapacít (obr. a) velké kapacity, (obr. b) malé kapacity.
Obr. 10.7. Voltampérová metóda merania kapacity
Mostíková metóda:Využíva základný tvar Wheatstonovho mostíka, miesto odporov v dvoch susedných ramenách je zapojený známy kondenzátor a kondenzátor, ktorého kapacitu chceme zistiť. Mostík je napájaný striedavým napätím a nazýva sa de Sautyho.
Obr. 10.8. De Sautyho mostík
Číslicový merač kapacity:Využíva napríklad závislosť času integrovania integrátora od veľkosti kapacity v spätnej väzbe. Na obr. je iba časť vytvárajúca časový interval úmerný veľkosti meranej kapacity. Súčasne s pripojením UN na vstup integrátora sa otvorí hradlo a začne sa počítanie impulzov. Hradlo sa zatvára pri zhode napätí na vstupe komparátora K. Počet impulzov, ktoré prešli hradlom je úmerný veľkosti kondenzátora.
11. Meranie Impedancie
Metódy merania impedancií je možno rozdeliť podľa toho, či sa meria Z absolútna hodnota impedancie alebo φ fáza.
Meranie absolútnej hodnoty impedancie:Absolútna hodnota sa určuje metódou voltmetra a ampérmetra. Impedanciu pripojíme na sínusové napätie, ktoré meriame voltmetrom. Ampérmetrom meriame prúd pretekajúci impedanciou. Vo výsledku merania sa uplatní vplyv spotreby voltmetra alebo ampérmetra (podľa zapojenia). Aby bola chyba metódy zanedbateľná je potrebné vhodne voliť a zapojiť meracie prístroje. Absolútna hodnota meranej impedancie (bez uvažovania spotreby prístrojov) je
U - napätie na voltmetri I - prúd ampérmetra Z=U/I
11.1 Meranie Impedancie troma ampérmetrami
Meraná impedancia Z je zapojená paralelne so známym odporom RN a tromi ampérmetrami meriame prúd v oboch vetvách a prúd celkový, ktorý je ich fázorovým súčtom. Ak sú impedancie ampérmetrov zanedbateľne malé oproti meranej impedancii ZX a RN, môžeme nakresliť fázorový diagram. Z hľadiska presnosti je najvhodnejšie ak prúdy IR a IZ sú približne rovnaké a veľký. Metóda je vhodná pre meranie väčších impedancií, keď je možno impedancia ampérmetrov oproti meranej zanedbať. Používa sa často pre meranie cievok s feromagnetickým jadrom.
Obr. 11.1. Meranie impedancie troma ampérmetrami
11.2 Meranie Impedancie troma voltmetrami
Meraná impedancia je zapojená v sérii so známym odporom RN a troma voltmetrami sa meria napätie na RN, ZX a celkové, ktoré je dané ich fázorovým súčtom. Vzťahy pre impedancie dostaneme rovnakým postupom ako u metódy troch ampérmetrov.
Obr. 11.2. Meranie impedancie troma voltmetrami
11.3 Meranie Indukčnosti a kapacity troma voltmetrami
Obr. 11.3. Schéma zapojenia pre meranie troma voltmetrami
12. Meranie výkonu
12.1 Meranie elektrického výkonu jednosmerného prúdu
Výkon jednosmerného prúdu je daný súčinom napätia a prúdu:P=U.I (W,V,A)
Obr. 12.1. Meranie jednosmerného výkonu voltmetrom (a) a ampérmetrom (b)
12.2 Meranie činného výkonu
Meranie činného výkonu jednofázového striedavého prúdu:Pri meraní výkonu striedavého prúdu sú uvedené metódy pre meranie jednosmerného prúdu vhodné len pre harmonické priebehy jednofázových a trojfázových prúdov priemyselnej frekvencie. Meranie výkonu striedavého prúdu vyžaduje presne dodržiavať orientáciu prúdov a napätí pri zapájaní wattmetrov. Okamžité hodnoty napätí a prúdov sa menia s časom a nesprávne zapojenie nie je hneď zrejmé. Preto sa pre rýchlu orientáciu zavádzajú komplexné čísla, ktoré sú výhodné nielen na riešenie zložitých impedancií, ale aj na riešenie výkonov. Preto zavádzame pojem fázor výkonu P, ktorý sa definuje ako súčin časového fázora napätia U a konjugovanej hodnoty časového fázora prúdu I.
Ps=U.I
Obr. 12.3. Zapojenie wattmetra do obvodu striedavého prúdu
Meranie činného výkonu jednofázového striedavého prúdu tromi voltmetrami:Metóda troch voltmetrov je vhodná na meranie činného výkonu spotrebičov, ktoré spôsobujú veľký fázový posun medzi napätím a prúdom, prípadne aj pri malom úbytku napätia na meranom spotrebiči. Wattmeter nemožno použiť pre jeho malú citlivosť.
Obr. 12.4. Meranie striedavého jednofázového výkonu metódou troch voltmetrov
Meranie činného výkonu trojfázového striedavého prúdu jedným wattmetrom:Táto metóda je vhodná iba vtedy, ak je súmerná napäťová sústava a súmerná záťaž (každá fáza je zaťažená impedanciou rovnakého charakteru a s rovnakou veľkosťou). Vtedy stačí odmerať výkon jednej fázy, ktorý keď vynásobíme troma, dostaneme výkon všetkých troch fáz. Potom platí:
Ak je meraná sústava trojvodičová, musíme vytvoriť umelý nulový bod pomocou troch rezistorov, pre odpory ktorých musí platiť: Rwv+RL1=RL2=RL3
Obr. 12.5. Zapojenie jedného wattmetra na meranie činného výkonu v trojfázovej sústave pri súmernej záťaži
Meranie činného výkonu trojfázového striedavého prúdu dvoma wattmetrami:Metóda dvoch wattmetrov, nazývaná tiež Áronova metóda, je najrozšírenejšia metóda na meranie činného výkonu trojfázového striedavého prúdu. Wattmetre musíme zapojiť tak, aby cez prúdové cievky pretekali prúdy IL1 a IL2
Obr. 12.6. Základná schéma na meranie činného výkonu v trojfázovej sústave s dvoma wattmetrami
Meranie činného výkonu trojfázového striedavého prúdu metódou troch wattmetrov:Metódu troch wattmetrov možno použiť v trojvodičovej aj štvorvodičovej sústaves prístupným nulovým vodičom. Zapojenie udáva fázor výkonu. Ak má sústava vyvedený nulový vodič, jednotlivé wattmetre merajú výkony príslušných fáz, a teda
P=PL1+PL2+PL3
12.3 Meranie jalového výkonu striedavého prúdu
Jalový výkon jednofázového prúdu mažeme určiť meraním činného a zdanlivého výkonu. Elektrodynamické prístroje na meranie jednofázového jalového výkonu sa nazývajú varmetre. Aby výchylka varmetra bola úmerná jalovému výkonu, zapája sa prúdová cievka tak ako pri neraní činného výkonu, a napäťová cievka tak, aby merala napätie sústavy s fázovým posunom -π/2. Na meranie jalového výkonu trojfázového prúdu možno použiť varmeter, ktorých zapojenie je rovnaké ako zapojenie wattmetrov na meranie činného výkonu. Metódy merania sú prakticky tiež rovnaké. Pretože však pootočenie prúdu voči napätiu v napäťovej cievke o - π/2 dosahujeme frekvenčne závislým zapojením, meranie je frekvenčne závislé, a preto sa v praxi nepoužíva. Ďalšie informácie môžeme nájsť na stránke http://hw.cz/teorieapraxe/dokumentace/art2497-ako-na-meranie-striedavych-velicin-iiizdanlivy-a-ine-vykony.html
13. Meranie elektrickej energie v jednofázových a trojfázových sieťach
V jednofázových i trojfázových obvodoch sa meranie činnej elektrickej energie robí indukčnými elektromermi. Vyrábajú sa jednosystémové a viacsystémové čím je určené i ich praktické použitie. Jednosystémové činné elektromery sa používajú na meranie elektrickej energie v jednofázových sieťach. V trojfázových sieťach sa používajú dvojsystémové činné elektromery. Otočná časť je spoločná, na ktorú pôsobia dve jednofázové meracie sústavy. Pri zapájaní treba dávať pozor na označenie fáz a na označenie vstupných a výstupných svoriek. Pre meranie činnej energie v štvorvodičových trojfázových sieťach sa používajú trojsystémové (štvorvodičové) elektromery.
Obr. 13.1. a) Jednosystémový činný elektromer b) Dvojsystémové činné elektromery