6. MĚŘENÍ PROUDU A NAPĚTÍ Etalony napětí, referenční a kalibrační zdroje (včetně principu pulsně-šířkové modulace) Měření stejnosměrného napětí: přehled možností s ohledem na velikost měřeného napětí, princip kompenzační metody (kde se využívá), měření velmi malých napětí, vliv vstupní napěťové nesymetrie skutečného OZ, automaticky nulovaný zesilovač, modulační zesilovač (principy), měření teploty termočlánky Měření stejnosměrného proudu: přehled možností s ohledem na velikost měřeného proudu, metody pro měření velkých proudů Měření střídavého napětí a proudu: přehled použitelných přístrojů a metod měření
X38EMA – P6
1
Etalony, referenční a kalibrační zdroje Základní jednotkou SI – elektrický proud – realizace: proudové váhy (primární etalonáž) Sekundární etalony – etalony napětí (U=IR) Westonův etalonový článek (známá teplotní závislost napětí, velký Ri, nesnáší otřesy) Josephsonův jev
U N = nf 0
supravodivý I drát s hrotem
h 2e
2e = 483,59790 THz/V h Teplotně kompenzované zenerovy diody (definovaný proud + termostat) Referenční zdroje – integrované obvody
Ur = UZD (R1+R2) / R1
supravodivé pásky
teplotně kompenzovaná Zenerova dioda
UN
U
R3
+ R2 Ur R1
X38EMA – P6
2
Napěťové kalibrátory (přesné Č/A převodníky s šířkovou modulací)
ZRN
KO
Ur
fN
DP
SO
UO
TA X = Ur TN N
kde
u ŘO
UO Ur TA
X
U0 = Ur
t
TA =
N X , TN = fN fN
TN X = číslo, které převádíme na napětí N = rozsah převodníku
X38EMA – P6
3
Měření stejnosměrného napětí 10 mV ÷ 1000 V
magnetoelektrické voltmetry, Ri = 1 ÷ 50 kΩ/V
Ri > 10 MΩ/V
měřicí stejnosměrně vázané zesilovače∗
10 mV ÷ 1 V
měřicí stejnosměrně vázané zesilovače∗,
0,1 mV ÷ 10 mV
automaticky nulované zesilovače
< 1 mV
modulační zesilovače
na výstupu A/Č převodník (IO pro ČV typicky 200mV, 10 MΩ/V) nebo magnetoelektrický systém
> 1000 V děliče napětí viz. přednáška č. 3 – nutno uvažovat i vliv vstupní napěťové nesymetrie
∗
Princip kompenzační metody IIV
UX = Uk ⇒ IIV = 0 ⇒ Rvst = ∞
IV UX
X38EMA – P6
Uk
Použití
- kompenzační AČ převodníky - kompenzační zapisovače
4
Automaticky nulovaný zesilovač
_
HZ
HZ - hlavní zesilovač PZ - pomocný zesilovač
+
+ B A
Poloha A: PZ je nulován zpětnou vazbou, nulovací napětí je zapamatováno na CA
CB
+
PZ
B A
B
A
X38EMA – P6
Poloha B: PZ kompenzován napětím z CA, vstupní offset HZ je zesílen PZ a přiveden na kompenzační vstup HZ – tím je kompenzován offset HZ.
CA
5
Modulační zesilovač
f RF ux
u3
u2
u1 C
ux
u
~ u1
u4
CF
C
u4
u2 t u3
t
X38EMA – P6
t
6
Měření teploty termočlánky
U SPOJOVACÍ Cu VEDENÍ
Cu A
ϑS
U = α12(ϑ1-ϑs); α12 = termoelektrický koeficient (VK-1) ϑs = teplota „studeného“ (srovnávacího) konce.
B PRODLUŽOVACÍ VEDENÍ
(lze stanovit měřením nebo kompenzovat „kompenzační krabicí“)
ϑ1
ϑM1
Izotermální svorkovnice
ϑM2 ϑS ϑMn
MĚŘICÍ MODUL S MULTIPLEXEREM, A/Č PŘEVODNÍKEM A PROCESOREM
SENZOR TEPLOTY X38EMA – P6
Kompenzační krabice
UP
RCu US
R UV R
R ϑS Uϑ ϑ1
7
Měření stejnosměrného proudu 10 µA ÷ 1000 A
bočník + předzesilovač + A-Č převodník; bočník + magnetoelektrický systém u ručkových přístrojů (úbytky typicky 50 ÷200 mV na plný rozsah)
< 10 mA
bez úbytku napětí – převodník proud - napětí s OZ (viz. přednáška 3, nutno uvažovat i vstupní klidové proudy)
< 10 µA
obvykle měření úbytku napětí na vysokoohmovém odporu mikrovoltmetrem
>1000 A
neúměrné výkonové ztráty na bočníku → používají se magnetické senzory: I2
Ix
N1 I1 = N 2 I 2
N
N1 = 1; N2 = N; IX = I1; I2 = U2/R + Hallovy sondy
X38EMA – P66
R
U2
↓ U Ix = N 2 R
8
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) 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).
X38EMA – P6
9
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
X38EMA – P6
10
3. Měření VF napětí VF sonda
AČP STEJNOSMĚRNÝ ZESILOVAČ
měří maximální hodnotu, cejchováno v efektivní hodnotě pro sinusový průběh VF selektivní voltmetr - zpravidla využívají heterodynní princip.
PŘEDZESILOVAČ OSCILÁTOR
X38EMA – P6
MF ZESIL.
SMĚŠOVAČ
f0
OPERAČNÍ USMĚRŇOVAČ
FILTR + AČP
mf
11
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) magnetoelektrický s usměrňovačem jednotky mA ÷ jednotky A (50 Hz ÷ jednotky kHz)
2. Měření efektivní hodnoty číslicové multimetry střední/vyšší třídy s převodníky efektivní hodnoty– viz 3. přednáška (50 Hz ÷ jednotky/desítky kHz) – stř. rozsah označen RMS elektromagnetický (feromagnetický), 10 ÷ 1000 V - frekvenční omezení stovky Hz Pro vyšší kmitočty (do stovek kHz) se používá bezindukční (koaxiální) bočník:
trubka a čela z vodivého materiálu
Ix UB vrstva z odporového materiálu
keramická trubka
Měření proudu s galvanickým oddělením Převodníky s Hallovou sondou (viz. stejnosměrná měření) Měřicí transformátory proudu X38EMA – P6
12
