11. MĚŘENÍ SŘÍDAVÉHO PROUDU A NAPĚTÍ Měření střídavého napětí a proudu: přehled použitelných přístrojů a metod měření Měřicí transformátory (U i I, náhradní schéma, zapojení, použití, chyby) Číslicové multimetry potlačení souhlasného rušení
A1B38EMA – P11
1
Měření střídavého napětí 1. Měření střední hodnoty, cejchováno v efektivní hodnotě pro sinusový průběh - číslicové multimetry nižší třídy (od cca 10 mV, do cca 100 kHz) - magnetoelektrický s usměrňovačem 2 ÷ 1000 V (50 Hz ÷ 5 kHz) - pro zvětšení rozsahu a galvanické oddělení měřicí transformátory napětí FILTR+AČP VSTUPNÍ DĚLIČ
!
STŘÍDAVÝ ZESILOVAČ
OPERAČNÍ USMĚRŇOVAČ
< 1 mV - lock-in zesilovač (viz. řízený usměrňovač – přednáška 3) - selektivní mikrovoltmetr (je třeba měřit jen požadovanou frekvenci).
A1B38EMA – P11
2
2. Měření efektivní hodnoty -
elektromagnetický (feromagnetický), 10 ÷ 1000 V !!POZOR!! frekvenční omezení magnetoelektrický s termočlánkem číslicové multimetry – střídavé rozsahy označené RMS nebo True RMS vzorkovací metody – číslicové zpracování signálu pro schodovitou aproximaci
U ef =
1 N
N
∑u i =1
2 i
kde N = počet vzorků za periodu - pro zvětšení rozsahu a galvanické oddělení měřicí transformátory napětí
Měření střídavého proudu 1. Měření střední hodnoty, cejchováno v efektivní hodnotě pro sinusový průběh číslicové multimetry nižší třídy - jednotky mA ÷ jednotky A (50 Hz ÷ jednotky kHz) téměř vždy bočník (Ayrtonův), úbytky cca 100 mV magnetoelektrický s usměrňovačem jednotky mA ÷ jednotky A (50 Hz ÷ jednotky kHz) Pozor, kvůli linearizaci stupnice velké úbytky na bočníku (cca 2 V), velká spotřeba na vyšších rozsazích. A1B38EMA – P11
3
2. Měření efektivní hodnoty číslicové multimetry střední/vyšší třídy s převodníky efektivní hodnoty– viz 9. přednáška (50 Hz ÷ jednotky/desítky kHz) – stř. rozsah označen RMS, měření na bočníku elektromagnetický (feromagnetický), 0,1 ÷ 100 A - frekvenční omezení stovky Hz Pro vyšší kmitočty (do stovek kHz) se používá bezindukční (koaxiální) bočník (viz. přednáška 7)
Měření proudu s galvanickým oddělením, měření velkých proudů Převodníky s Hallovou sondou (viz. stejnosměrná měření, přednáška 10) Měřicí transformátory proudu
A1B38EMA – P11
4
Měřicí transformátory Měřicí transformátory proudu (MTP) Použití: střídavé proudy ≥ 10 A bez stejnosměrné složky (galv. oddělení – i pro nižší proudy) Parametry: jmenovitý kmitočet 50 (60, 400) Hz; jmenovitá hodnota proudu I2 = 5A (1A)
Měřicí transformátory napětí (MTU) Použití: střídavá napětí > 100 V bez stejnosměrné složky Parametry: jmenovitý kmitočet 50 (60, 400) Hz; jmenovitá hodnota napětí U2 = 100 V Zjednodušené náhradní schéma měřicího transformátoru (přepočteno na převodem 1 : 1) I1
R1
Lr1
R´2
L´r2
I´2
I01 U1
U′2 = U 2
Ui
U´2 RFe
Lh
N1 = pU U 2 N2
Z´2
I´ 2 = I 2
N2 = pI I 2 N1 2
⎛N ⎞ N2 Za předpokladu zachování výkonu: I ´ R 2′ = I R 2 → I R 2′ = I 22 R 2 → R2′ = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ R 2 N1 ⎝ N2 ⎠ 2 2 a obdobně: ⎛ N1 ⎞ ⎛ N1 ⎞ ⎟⎟ Z 2 ; L´2 = ⎜⎜ ⎟⎟ L2 Z ′2 = ⎜⎜ N N ⎝ 2⎠ ⎝ 2⎠ A1B38EMA – P11 5 2 2
2 2
2 2
Příčiny chyb: Měřicí transformátor proudu magnetovací proud I01 způsobuje chybu převodu a fáze ⇒ ⇒ požadavek: Z2 minimální, (je udávána max. hodnota |Z2| nebo max. zdánlivý výkon ve VA) Měřicí transformátor napětí úbytky napětí na R1, R2, Lr1, Lr2 způsobují chybu převodu a fáze ⇒ ⇒ požadavek: Z2 maximální, (je udávána min. hodnota |Z2| nebo max. zdánlivý výkon ve VA)
Zapojení měřicích transformátorů do obvodu I1
K MTP
L
Upozornění: Sekundární obvod měřicího transformátoru proudu se za provozu nesmí rozpojit!!
MTN k
l
m
M
Z
*
A
*
I2
U2
U1
W n
A1B38EMA – P11
N
6
Číslicové multimetry Vstup. dělič
U I R
Zesilovač =
AČP
I→U
(
Zes. R→U
Plovoucí část
~
~/=
Ref. zdroj
Mikroprocesor
Zobrazovač Rozhraní
Čísl. výstup
Zemněná část
G Kvalitnější multimetry vesměs: a) mají vnitřní plovoucí stínění (viz dále); b) umožňují 4-svorkové připojení při měření odporu; c) vestavěný procesor umožňuje autokalibraci popř. i softwarovou kalibraci; d) umožňují připojení k počítači přes standardní rozhraní (RS-232 / IEEE 488 / USB). AUTOKALIBRACE: a) automatické nulování b) určení skutečného přenosu měřicího kanálu s využitím vnitřních referenčních prvků (dělič 1:10, UREF, RN) a následná automatická korekce odchylky SOFTWAROVÁ KALIBRACE: a) připojení externího etalonu (ref. zdroj napětí, etalon odporu), b) zadání skutečné hodnoty tohoto etalonu klávesnicí c) zápis kalibračních hodnot do zálohované paměti) A1B38EMA – P11
7
Souhlasné rušení - vzniká vlivem rozdílné impedanci svorek HI a LO vůči zemi ( |Z5| » |Z4| )
I1
UX
↓
HI
R1
I 2 =& U CM Z 4 » I1 =& U CM Z5 Z3
LO
R2
↓ I1 lze vůči I2 zanedbat → UR1 lze vůči UR2 zanedbat
Z5
I2
U EKV,S = U R1 − U R2 =&
Z4
UCM
pro UX → 0
U CM R2 U CM R2 =& R2 + Z 4 Z4
(
)
(
& 20 log Z 4 R2 Koef. potlač. souhlas. rušení (R2 = 1kΩ, R1 = 0): k PCM = 20 log U CM U EKV,S = Zvýšení koeficientu potlačení souhlas. rušení: R1 U1
R2
LO
v plovoucím stínění)
Z8
Napětí na Z4 zanedbatelné, I2 → 0, UR2 → 0
I G =& U CM Z 5 → na vodiči G vzniká úbytek
Z4 G
UCM IG
A1B38EMA – P11
Z3
I2
U2
Plovoucí stínění - svorka G
|Z6|; |Z7| » |Z4|; |Z5| (Z6; Z7 - parazitní kapacity - otvory
HI
I1
UX
)
napětí, ten je však mimo měřicí obvod. Z5
Z6
Z7
Svorka G má být spojena se svorkou LO a) UR1 → 0 nebo R2 → 0 - u voltmetru b) UR1 a R2 ≠ 0 - u zdroje měř. napětí 8
