Áramerősség, feszültség és ellenállásmérés eszközei (áramerősség, feszültség, ellenállás, fáziseltolás, teljesítmény)
Villamos mérőműszerek A villamos mérőműszereket működésük elve alapján az alábbi csoportokba oszthatjuk. a)galvanometrikus műszerek a rajtuk átfolyó villamos áram közvetlen mechanikai erejével, vagy az áram hőhatása által felszabadított vagy kifejtett mechanikai erővel működnek b)indukciós műszerek a bennük áramló váltakozóáramok mágneses tere és az ez által indukált örvényáramok közt ébredő mechanikai erőhatások következtében mérnek c)elektrometrikus (elektrosztatikus) műszerek a rájuk ható villamos feszültség villamos töltéseinek mechanikai erőhatásai által működnek d)elektronsugaras műszer villamos feszültségnek, ill. villamos áram mágneses terének az elektronsugárra kifejtett kitérítő hatásaival működik és mér e)elektrolitikus műszer az egyenáram vegyi hatása alapján működik és mér
Villamos mérőműszerek • Az a, b, és c, alatti műszereket elektromechanikaiaknak is nevezik. Ezekben az erőhatások (nyomatékok) egyensúlya bizonyos elmozduló mérőelem meghatározott helyzetéhez van kötve. Az egyensúlyi helyzet: a mérőhelyzet egyértelműen jelzi a mért villamos mennyiség számértékét. • A d, alatti műszerben (elektronsugárcsőben) az elektronnyaláb elmozdulása floureszkáló ernyőn megfigyelhető, és az eltérő villamos feszültséget, ill. áramot ezen az alapon lehet mérni. • Az e, alatti műszerben az elektrolitból bizonyos idő alatt kiválasztott anyag mennyisége arányos az ugyanezen idő alatt átáramlott villamos töltéssel, az egyenáram időbeli integráljával; ez a mérés alapja.
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek Depréz-műszer: • Állandó mágnes hengerszimmetrikus térben áramtól átjárt tekercs van pl. két rugalmas szálra függesztve. A tekercshez erősített 3 tükör a nyugvó lámpából rávetített fénysugarat visszaveri a nyugvó skálára; a tekercs az átfolyó áram hatására α szöggel elfordul, a tükörről visszavert kép a skálán egy adott hosszúsággal elmozdul. • Az áramra érzékeny galvanométer ellenállása nagy; a feszültségre érzékeny galvanométeré lehetőleg kicsi legyen.
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek - Depréz
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek Depréz-műszerek hibaforrásai: • súrlódás • mágnes idővel gyengül • rugó túlterhelés miatt gyengül • menetzárlat a tekercsben • a függőleges tengely billeghet • hibás skálaosztás • hő hatására a mágnes átmenetileg gyengül • deformálódhat a mutató • •
Pontossági osztályjelei (hibaosztályok): 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 5,0. Külső mágneses terek kevéssé befolyásolják.
•
Váltakozóáramú körökben közvetlenül használható száraz egyenirányítók alkalmazásával, pl. a Graetz-féle kapcsolásban ampermérőként és voltmérőként.
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek - Depréz
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek Lágyvasas műszer: Kizárólag csak hengeres tekerccsel készül, amelynek belsejében az 1 álló és a 2 lengő vaslemezke van az áram által azonos módon mágnesezve, emiatt egymást adott erővel taszítják. Kitérítő nyomatéka az áramerősség négyzetével arányos, de nagymértékben függ a két vaslemezke relatív helyzetétől, tehát a lengő helyzetszögétől. Előnyei: egyszerű, olcsó, rugója és lengő része árammentes, nagymértékben terhelhető Készíthető ampermérőnek (milliampermérőnek) és voltmérőnek; az ampermérő a leírttal egyezik, a voltmérőt a megfelelő előtét-ellenállással kell kiegészíteni. Hibaforrások: súrlódás, menetzárlat, lengőrész vagy mutató deformálódása, skálahiba, frekvenciahiba. Működését külső mágneses terek rendkívül befolyásolják. Védekezés: vaslemezzel való burkolás.
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek - Lágyvasas
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek Elektrodinamikus műszer: Áramtól átjárt álló és lengő tekercs adott kölcsönös erőhatásával, ill. nyomatékával működik, a lengő egyensúlyát rugó ellennyomatéka biztosítja. Az elektrodinamikus műszer álló és lengő tekercse sorosan, párhuzamosan, és egymástól függetlenül kapcsolható. Eszerint használható: • soros belső kapcsolásban milliamper-mérőként és voltmérőként; • párhuzamos belső kapcsolással ampermérőként; • független kapcsolásban wattmérőként. Mechanikai csillapítás szükséges! Az elektrodinamikus műszer külső mágnesterek zavaró hatására igen érzékeny. Védekezés: vaslemezburkolás, vagy pedig asztatikus szerkezet: közös tengelyen két lengő, ennek következtében két álló tekercsrendszer ellentétes áramirányokkal és így azonos kitérő nyomatékkal. Hibaforrások: súrlódás, rugó, tekercs, skálahiba, váltakozóáram esetén frekvenciahiba.
Villamos mérőműszerek A – Galvanometrikus műszerek - Elektrodinamikus
Villamos mérőműszerek B – Indukciós műszerek Időben integráló indukciós fogyasztásmérő: Legelterjedtebb villamos mérőműszer, a gyakorlat számára igen megbízhatóan készíthető. Benne a feszültségi és az áramtekercs váltakozó gerjesztése működik egy-egy vasmagra és a vízszintes alumíniumtárcsára, azt hajtja adott forgatónyomatékkal, amely arányos a vizsgált áramkör teljesítményével. Hibaforrásai: • súrlódás, hőhatásra a tekercshiba Fogyasztásmérőt úgy kell kapcsolni, mint egy wattmérőt. Több egyfázisú fogyasztásmérő közös tengelyre építhető: (Aron-kapcsolású) kétrendszerű és háromrendszerű fogyasztásmérő háromfázisú méréshez.
Villamos mérőműszerek C – Elektrometrikus műszerek Elmozduló és nyugvó mérőelemek közt vonzó erővel vagy taszító erővel, vagy vonzó és taszító erővel működnek. A hatás a pillanatnyi feszültség négyzetével arányos: a műszerek egyirányú és váltakozófeszültség mérésére használhatók. Taszító erővel működik az elektroszkóp, vonzó erővel nagyfeszültségű elektrométereink, vonzó és taszító erővel a kvadránsos elektrométer és pl. a szálas elektrométer.
Villamos mérőműszerek C – Elektrometrikus műszerek Elektroszkóp: Az álló és az elmozduló fegyverzet azonos potenciálú, töltéseik egymást taszítják; az ívelt skálát kísérletekkel készítik. Nagyfeszültségű elektrométer: Olajtartóban az elmozduló és a nyugvó fegyverzet közt a mérendő feszültség működik. A fegyverzetek egymást vonzzák, a keletkező elmozdulással egyezik a rugó megnyúlása, ezt méri a karika elmozdulása. Arányosan nagyobb és a feszültséget méri a mutató hegyének elmozdulása; a skálát kísérletekkel kell megállapítani.
Villamos mérőműszerek C – Elektrometrikus műszerek - Elektroszkóp
Villamos mérőműszerek C – Elektrometrikus műszerek Kvadránsos elektrométer: Négy ívelt „kvadráns” van, mintha lapos, korong alakú fémdoboz volna négy azonos negyedre vágva, ennek belsejében koaxiálisan van felfüggesztve a vízszintes síkú lengő; további fontos rész a műszer fémes hengeres tokja. Két-két átellenes kvadráns fémesen állandóan össze van kötve; ezek és a többi fémrészek (lengő, tok) egymástól borostyánkővel, teflonnal stb. szigetelve vannak. Feszültségmentes állapotban a lengőnek két kvadránspár elválasztó vonalában kell lennie. A műszer a lengő elfordulásával mér. Más kapcsolási kombinációk is lehetségesek (SEGÉDFESZÜLTSÉG ALKALMAZÁSA). A mérési egyenletet kísérlettel állapítják meg. Húros elektrométer: Feszes szál (húr) vezetően van összekötve az egyik álló fegyverzettel; a mért feszültség a két álló fegyverzetre van kapcsolva. Az egyik fegyverzet taszítja, a másik vonzza a szálat, elmozdulását mikroszkópon át, az okulárban lévő skálán figyelik meg a feszültségmentes állapothoz képest; a skálaértékeket kísérletekkel állapítják meg.
Villamos mérőműszerek D – Elektronsugaras műszer Elektronsugaras oszcilloszkóp: Oszcilloszkóp katódsugár csövébe két-két párhuzamos sík lemez van beforrasztva ezekre kívül U1 és U2 feszültség működik, ezek E1 és E2 térerőssége a lemezek közt átsuhanó sugarat a maga irányában téríti ki. Ez az ernyőn megfigyelhető és mérhető.
Villamos mérőműszerek E – Elektrolitikus műszerek Egyenáram vegyi hatásával működő árammennyiségmérő. Két típusa használatos: higanyjodid vizes oldatából tiszta higany válik ki a „Stia” nevű műszerben; míg hígított foszforsavból hidrogén válik ki a Siemensféle műszerben. Egyéb műszertípusok: •elektromechanikai rezonanciával működő vibrációs vagy rezonanciaműszerek, •a szaporán lengő váltakozóáramú oszcillográfok, •két villamos mennyiség viszonyszámát mérő hányadosmérő műszerek (logométerek), •valamint a tárgyalt műszerek mechanizmusával működő rajzoló (regisztráló) műszerek.
Villamos mérőműszerek Villamos mérőműszerek használati területei Egyenáramra és váltakozó áramra, nagyfrekvenciára: •hőhuzalos műszer •elektrometrikus műszer •elektronsugaras oszcilloszkóp
Egyenáramra és frekvenciára: •lágyvasas műszer •elektrodinamikus műszer
Egyenáramra és hangfrekvenciára: •egyenirányítós Deprézműszer •hurkos oszcillográf
Csak egyenáramra: •Depréz-műszer
Villamos mérőműszerek Villamos mérőműszerek használati területei Váltakozóáramú használatban: • effektív értéket mutat az elektrodinamikus, a lágyvasas, az indukciós, a hőhuzalos és az elektrosztatikus műszer; • lineáris középértéket mutat az egyenirányítós Deprézműszer; • csúcsértéket mutat ki kondenzátorral a Depréz-műszer, a hurkos oszcillográf, az elektronsugaras oszcilloszkóp.
Villamos mérőműszerek A műszerek érzékenysége, ill. mérési határa Egyenáramú műszerek
Áramerősség (A)
Feszültség (V)
tükrös galvanométer
10-12 … 10-03
10-09 … 10-03
fénymutatós galvanométer
10-08 … 10-01
10-06 … 1002
mutatós galvanométer
10-06 … 10-01
10-05 … 1002
mutatós Depréz-műszer
10-06 … 1003
10-04 … 1003
lágyvasas műszer
10-03 … 1002
10 … 1003
elektrodinamikus műszer
10-02 … 1002
10 … 1003
hőhuzalos műszer
10-01 … 1002
10 … 1003
-
10-04 … 1005
elektrosztatikus műszer
Villamos mérőműszerek A műszerek érzékenysége, ill. mérési határa Váltakozóáramra: erőátviteli frekvencián használható a fentiek közül a fenti határok közt a lágyvasas, az elektrodinamikus, a hőhuzalos és az elektrosztatikus műszer; Áramerősség (A)
Feszültség (V)
10-04 … 6
10-03 … 1003
hőhuzalos műszer
10-01 … 1002
1002 … 1003
hurkos oszcillográf
10-02 … 1004
10-01 … 1003
-
10 … 1005
10-06 … 1002
10-04 … 1003
hőhuzalos műszer
10-01 … 1002
1002 … 1003
elektronsugaras oszcilloszkóp
10-06 …
10-04 … 1003
hangfrekvencián használható száraz egyirányítós Depréz-műszer
elektrosztatikus műszer elektronsugaras oszcilloszkóp nagyfrekvencián használható
elektrosztatikus műszer
-
1002
10 … 1005
Villamos mérőműszerek Áramerősség mérése Terheléssel sorbakapcsolt ampermérővel mérik. • Ampermérők rendszerük szerint a rajtuk átfolyó áram elektrolitikus vagy effektív középértékét mérik. • Egyenáram vagy váltakozóáram elektrolitikus középértékének mérésére Depréz-típusú milliampermérő szolgál (10-5A – 10-1A-ig) • Méréshatár söntöléssel 104A-ig lehet bizonytalanság 1% alatt van (0,2-0,5%)
kiterjeszteni.
Mérési
• 3000A felett egyenáramú áramváltót alkalmaznak. A váltakozó feszültség és a frekvencia ingadozásától a mérés független. (max. 50000A-ig) • Áramerősség effektív értékét lágyvasas műszerrel, elektrodinamikus műszerrel és indukciós műszerrel mérhetjük.
Villamos mérőműszerek Feszültség mérése • •
A feszültséget a műszaki gyakorlatban voltmérővel mérik. A voltmérők rendszerük szerint a feszültség elektrolitikus vagy effektív középértékét mérik. Egyenfeszültség vagy váltakozófeszültség elektrolitikus középértékének mérésére megfelelő előtét-ellenállással ellátott Depréz-milliampermérőt használunk.
•
Az előtét-ellenállás megcsapolásaival a műszer 10-3 - 103 V mérési tartományban használható; a bizonytalanság a végkitérésen 0,2% (0,1%) is lehet.
•
A váltakozó feszültség elektrolitikus középértékének mérésére a Deprézvoltmérő száraz egyenirányítóval használható.
•
Egyenirányú feszültség mérésére használható hőelemes Depréz-műszer, elektrodinamikus műszer, elektrosztatikus műszer és különleges szerkesztésű lágyvasas műszer is.
•
A váltakozófeszültség effektív értékének mérésére ugyanezek a műszertípusok használatosak.
Villamos mérőműszerek Ellenállás mérése
A műszaki gyakorlatban az ellenállás mérésére elterjedt módszerek: •feszültség és áramerősség egyidejű mérése; •feszültségesések összehasonlítása; •mérés Wheatstone-híddal; •mérés Thomson-híddal, Igen elterjedtek a gyakorlatban a közvetlenül mérő és mutató ohmmérők.
Villamos mérőműszerek Ellenállás mérése – Feszültség és áramerősség egyidejű mérése •
Két fajta kapcsolást használunk
•
Kisebb ellenállások méréséhez (2-3 Ohm) 5.5-37. ábra szerint
•
Nagyobb ellenállások méréséhez az 5.5-38. ábra szerint dolgozhatunk.
5.5-37. ábra – Rx=U:[I-(U/Rv)]; 5.5-38. ábra – Rx=(U:I)-Rga; Az eljárás alkalmazható minden nagyságrendű ellenállás méréséhez. (10-6 Ohm – 1014 Ohm) Bizonytalanság: 1%
Villamos mérőműszerek Ellenállás mérése - Feszültségesések összehasonlítása •
R1 és R2 ellenállást sorbakapcsoljuk, közös és változatlan I áramerősséggel terheljük; ha a galvanométert az R1, majd az R2 sarkaira kapcsoljuk, a megfigyelt kitérés α1 és α2; akkor igen jó közelítéssel: R1:R2= α1:α2 és R1=R2(α1:α2)
•
Az egyenlet csak akkor érvényes, ha mérés alatt „I” változatlan. A módszer gyors és kényelmes különösen kisebb ellenállások vizsgálatára.
•
Bizonytalanság: az ismert ellenállás bizonytalansága és a galvanométer miatt további 0,5 … 1%.
Villamos mérőműszerek Ellenállás mérése - Wheatstone-híd • Négy ellenállás közül három változtatásával kell elérni, hogy az árammal táplált híd galvanométere árammentessé váljon. Ekkor Ig=0 és R1:R2=R4:R3 és R1=R2*R4:R3. • Egyik ellenállás értéke tehát a másik hároméval kifejezhető, e három (R2, R3 és R4) relatív bizonytalanságának összege érvényesül az eredményben. • Mérési tartománya 1 Ohm … 105 Ohm.
Villamos mérőműszerek Ellenállás mérése - Thomson-híd (1 Ohm … 10-6 Ohm-ig) • Mérés két feltételének egyenlete: a:A=b:B és Ig=0. • Kiegyenlített Thomson-híd: R1:R2=a:b=A:B • Ez az eljárás két kis ellenállás arányát jól mérhető nagyobb ellenállások arányára vezeti vissza. A feszültség ingadozása az eredményt nem változtatja meg. • Az eredmény relatív bizonytalansága öt ellenállás bizonytalanságának összege.
Villamos mérőműszerek Ellenállás mérése - Ohmmérő
• mért ellenállás értékét közvetlenül mutatja • kereszttekercses ohmmérő – állandó mágneses műszer; mutatója a skálán kitéréssel mutatja két ellenállás arányát. • A műszer két lengő tekercsének ellenállása a mért ellenálláshoz képest elhanyagolható. Bizonytalanság 1-5%.
Villamos mérőműszerek Fáziseltolás mérése •
A fáziseltolás csak egyhullámú (tiszta szinuszos) változásra értelmezhető; beszélhetünk φ fázisszögről és szögfüggvényeiről. Az áramerősség, feszültség és teljesítmény ilyenkor egyfázisú, ill. szimmetrikus háromfázisú körben
•
P=I*U*cosφ, ill. P=√3*I*U*cosφ
•
ebből a fázistényező
•
cosφ=P/(I*U), ill. cosφ=P/(√3*I*U).
•
Tehát áramerősséget, feszültséget és teljesítményt kell, frekvenciát ajánlatos mérni.
•
Szimmetrikus háromfázisú áramkörben cosφ mérhető elektrodinamikus hányadosmérővel. A műszer skáláját kísérletekkel kalibrálják, szimmetrikus áramkörben, a fenti wattmérős méréssel.
•
Bizonytalanság 1-3%.
Villamos mérőműszerek Fáziseltolás mérése - Hányadosmérő
Villamos mérőműszerek Teljesítmény mérése
• Egyenáramú áramkor – P=U*I • Váltakozóáramú körben – P=U*I*cosφ • Egyenáramú körben a feszültség és az áramerősség külön-külön kompenzáló mérésével meg lehet mérni a teljesítményt kb. 0,02% bizonytalansággal; • A gyakorlatban a teljesítményt egyenáramú áramkörben az áramerősség és feszültség egyidejű mérésével mérik; az eredmény bizonytalansága jó esetben 1%. • Ha az egyenáram hullámos (egyirányítás), a Deprézműszer a közepes értéket méri: ilyenkor az egyenáramú teljesítményt is wattmérővel kell mérni.
Villamos mérőműszerek Teljesítmény mérése •
Teljesítmény váltakozóáramú méréséhez a gyakorlatban használt műszer: az elektrodinamikus wattmérő és az indukciós wattmérő.
•
Nagy és igen nagy frekvencián is alkalmas teljesítmény mérésére, de helyhez kötött (csak laboratóriumi) műszer a kvadránsos elektrométer. A wattmérők mérési határa váltakozóáramú körben feszültség- és áramváltóval bővíthető.
Villamos mérőműszerek Teljesítmény mérése – Elektrodinamikus wattmérő •
Az álló tekercs árama I, a feszültségi köré I’; a kitérés α, a műszerállandó C; egyenáramban I*I’=C*α=I*(U/Rw)=P/Rw és P=CαRw
•
Az ábra szerint kapcsolt wattmérő az α kitéréssel jelzett teljesítménybe beméri a wattmérő lengő tekercsének és a voltmérőnek fölvett teljesítményét Pw-t és Pv-t: Pw=U2/Rw és Pv=U2/Rv
•
ezeket tehát le kell vonni a mérési eredményből, különösen, ha kis teljesítményt mérünk.
•
Ez a kapcsolás váltakozóáramú C*α*R=P=U*I*cosφ.
körben
is
helyes.
Ilyenkor
Villamos mérőműszerek Teljesítmény mérése – Elektrodinamikus wattmérő
Háromfázisú áramkör teljesítményét három wattmérővel lehet és kell mérni, ha a rendszernek kivezetett 0-pontja van. A rendszer teljesítménye, P: P=P’+P”+P’”=U1,0*I1*cosφ1+U2,0*I2*cosφ2+U3,0*I3*cosφ3 Szimmetrikus táplálásban és szimmetrikus terhelésben P=P’+P”+P’”=√3*U*I*cosφ három wattmérőt közös tengelyen, egyetlen műszerben lehet egyesíteni. Az összeadást elvégzi a műszer – a skálán az összeg olvasható le (háromfázisú wattmérő három mérőrendszerrel).
