Elektrické měření definice.: Poznávací je zjištění:
proces
jehož
prvořadým cílem
•
výskytu a
•
velikosti (tzv. kvantifikace)
měřené veličiny při využívání známých fyzikálních jevů a zákonů.
MP - Ampérmetr A U
I
R
Hodnota 5 A znamená, že měřená veličina je 5 x větší než jednotka - A
1
Elektrické měření obsahuje: • Objekt měření (měřené veličiny) • Měřící zařízení (spojení objektu s MP) • Metodu měření (aplikace fyzikálního zákona)
Zpětné působení Objekt měření Signál
Měřící zařízení
Rozdělení elektrického měření podle účelu:
Laboratorní
Technické
Provozní
2
Chyby měření Systematické
- absolutní chyba : - relativní chyba :
Omyly
Náhodné
Δ X = X − X SKU T δ =
ΔX X
⋅100
[%]
Základní pojmy Citlivost přístroje
c=
αd r
kde r -
rozsah přístroje , αd - celkový počet dílků na stupnici
3
Třídy přesnosti: (0,1; 0,2; 0,5; 2,5; 5 %) definice: Podíl relativní chyby a rozsahu maximální výchylky (bývá uvedena na MP) ~ maximální dovolená chyba (%) vztažená na plnou výchylku
Konstanta přístroje: k - počet jednotek na jeden dílek stupnice
r
1 k= = α c
(obrácená hodnota citlivosti)
4
Zkušební napětí MP - maximální hodnota při BP, (označení na přístroji )
Vlastní spotřeba MP - příkon potřebný na plnou výchylku
Přetížitelnost přístroje - maximální násobek jmenovité hodnoty bez poškození
Provozní poloha MP - zaručuje se třída přesnosti
5
Příklady značek, vyskytujících se na měřících přístrojích (MP) MP pro měření stejnosměrného proudu MP pro měření střídavého proudu MP pro měření stejnosměrného (DC) a střídavého (AC) proudu 1,5 ; 0,5; 0.2
třídy přesnosti MP
MP je určen pro svislou polohu MP je určen pro vodorovnou polohu MP je určen pro šikmou polohu 60° k vodorovné rovině značka uzemňovací svorky
6
„2 ve hvězdě …………….zkušební napětí je 2 kV; “hvězda bez čísla” …… zkušební napětí je 500 V; „hvězda s 0“ ……………zkušební napětí se nezměřilo.
Rozdělení EMP dle jejich použití: • Rozváděčové (pevně namontované na panelu) • Montážní (přenosné) • Laboratorní (větší přesnost, rozměry, kontrolní funkce) • Základní (normály)
7
Rozdělení EMP podle způsobu: snímání :
zobrazení :
odečítání :
-analogové
-ukazovací
-ručkové
-číslicové (digitální)
-zapisovací
-číslicové -registrační -vibrační, světelné
Ručkové měřící přístroje: a) magnetoelektrické (deprézské, s otočnou cívkou) ........ pro měření ss (DC) proudu ........ s usměrňovačem ( i pro měření střídavého (AC, ~) proudu) ......... s termočlánkem (měří efektivní hodnoty) moment M ~ B.I.l ~ k . Id , - měří střední hodnoty stupnice MP je pro harmonický průběh veličiny cejchována v efektivních hodnotách !!
8
b) elektromagnetické - (plíškové, ferromagnetické) označení princip - silové účinky elektromagnetického pole na ferromagnetický plíšek
F ~ I ef2
vhodnost pro střídavé veličiny
c) elektrodynamické elektrodynamický - měřící systém neobsahuje ferromagn. materiál ferrodynamický (cívky mají železné jádro), -větší moment, princip činnosti - silové účinky dvou cívek (pevné a pohyblivé) použití - zejména pro měření elektrického výkonu a střídavého proudu,
9
d) Indukční přístroje ( Ferrarisové ......... magnetickým polem)
e) Tepelné ( tepelné účinky ohřevu)
f) Vibrační přístroje (rezonanční) - použití: např. k měření kmitočtu f
Další druhy měřících přístrojů Číslicové (digitální) MP - měřící systém + záznamové zařízení
Registrační - zobrazení okamžitých hodnot
10
Osciloskopy - pozorování okamžitých hodnot veličin v souvislé podobě Časová základna osciloskopu- zařízení umožňující přemístění stopy jako specifikované funkce času
Oscilograf - k zapisování okamžitých hodnot veličin
v souvislé podobě
Virtuální měřící přístroje VMP) - ( SW + PC + převodník)
Podstatou VMP je: • doplnění PC zásuvnou multifunkční kartou (A/D) • vytvoření vhodného programu pro PC • vhodné vývojové prostředí v PC Vlastnosti: nižší ceny, flexibilita (možností změny vlastností pomocí SW)
11
Měření elektrických veličin Měření elektrického napětí: Voltmetr
náhradní schéma V
RiV V
Připojení paralelně k měřícímu obvodu
Změna měřícího rozsahu (možné způsoby) • předřadným odporem
U = UV ⋅
(bývá zabudován přímo v MP)
RiV + RP RiV
• napěťovým převodním transformátorem (snižovací účinek, galvanické oddělení)
• měřícím zesilovačem (zesílení, galvanické oddělení optočlenem)
12
Měření elektrického proudu: Ampérmetr
náhradní schéma
A
RiA A
Připojení sériově k měřícímu obvodu
Změna měřícího rozsahu (možné způsoby)
IL
U
IL
R iA RB
RL
R iV
A IA
IL = I A ⋅
U
R iA RB
mV
RB
RL
IV IL = U =
mV
⋅
I NB U NB
U mv RB
• bočníkem (převod I/U s tím, že mV- metr je cejchován v jednotkách proudu - A)
13
• proudovým převodním transformátorem
IL K
U
k
pI
IA L
R
Poznámka:
A
l
I L = I A ⋅ pI pI =
I1 I2
Měření přes proudový transformátor je možné pouze u střídavého proudu !!!
Měření elektrického výkonu Ve stejnosměrných obvodech: - nepřímá metoda - U * I - přímá metoda = elektrodynamický W-metr Ve střídavých obvodech: - přímá metoda pomocí MP - W-metrů.
14
Wattmetry -
W
- 2 měřící obvody (cívky): proudový a napěťový i u
W u
A RL
V
Zapojení A-metru W-metru a V-metru v elektrickém obvodě
Měření jalového výkonu: • přímá metoda - pomocí var- metru (W-metrů zapojeného tak, že napětí je posunuto o úhel 90o)
Q = U ⋅ I ⋅ sinϕ = U ⋅ I ⋅ cos (π/2 − ϕ ) • nepřímo určením z trojúhelníku výkonů U 2 ⋅ I 2 = P 2 + Q2 ⇒ Q = U 2 ⋅ I 2 − P 2 =
(U ⋅ I + P ) ⋅ (U ⋅ I − P )
15
Měření zdánlivého výkonu:
- nepřímá metoda pomocí A-metru a V-metru
Měření elektrické energie: Elektroměr
Wh
Provedení : •
mechanický
•
elektronický
•
jednosazbový, dvousazbový
•
speciální
16
Měření odporu: Ohmova metoda
RX =
UX IX
, kde UX - úbytek napětí na odporu IX - proud tekoucí odporem
Varianta zapojení s voltmetrem před ampérmetrem: RX =
U X UV − U A = IX IA
Varianta zapojení s voltmetrem za ampérmetrem: RX =
UV UV = IX I A − IV
Měření kapacit: - měření voltmetrem a ampérmetrem (obdoba měření odporu)
CX =
IC ω ⋅U
- měření voltmetrem , ampérmetrem a wattmetrem
17
Měření vlastních indukčností:
- měření voltmetrem a ampérmetrem (obdoba měření odporu) absolutní impedance měřené cívky:
ZX =
UX = R X2 + ω 2 ⋅ ⋅ L2X I
- měření rezonační metodou - měření parametrů kondenzátorů a cívek číslicovými měřiči RLC
Měření neelektrických veličin elektrickými metodami Použití : - k vyhodnocení (kvalitativní a kvantitativní) - jako řídící (akční) veličina v ASŘ Výhody elektrického měření neelektrických veličin: • velká citlivost; • velká přesnost; • možnost dálkového přenosu; • možnost registrace a dalšího zpracování. Nevýhody: •větší pořizovací náklady
18
Měřící sestava obsahuje:
SNÍMAČ
MĚŘÍCÍ OBVOD (zesilovač + zdroj)
VYHODNOCENÍ ZAŘÍZENÍ
Snímač: - umožňuje přeměnu neelektrické veličiny na elektrický signál. Rozdělení snímačů dle principu: a) aktivní: - přímá přeměna veličiny na elektrickou veličinu U, I, Q, f) (piezoelektrický, termočlánky, elektromagnetický apod.) b) pasivní: (parametrické) - změna parametru elektrického obvodu R, L, C popř. i stav kontaktu (odporové, indukční, kapacitní, fotoelektrické, kontaktní)
19
Rozdělení podle využívaného fyzikálního jevu nebo principu snímání, ( druhu výstupního signálu senzoru): a) odporové,kapacitní,indukčnostní, indukční, transformátorové b) piezoelektrické, optoelektronické c) vibrační d) magnetoelastické, magnetoelektrické termoelektrické a další
Základní principy vybraných snímačů neelektrických veličin a) Piezoelektrické snímače Snímač využívá pro převod neelektrického signálu na elektrický piezoelektrického jevu v jehož důsledku se na přiložených elektrodách objeví elektrický náboj, úměrný síle způsobující deformaci krystalu.
Piezoelektrický snímač při měření síly
Použítí: např. pro měření tlaků, tlakové síly, zrychlení, relativní deformace, mechanického napětí atd.
20
b) Termoelektrické snímače (termočlánky) Princip je založen na využití Seebeckova jevu. Dva vodiče z různých kovů, na jednom měřícím konci spolu vodivě spojené. Jestliže je měřící konec článku ohřátý na teplotu odlišnou od teploty druhého, srovnávacího konce, vzniká na termoelektrickém článku termoelektrické napětí.Termočlánky se používají pro měření teploty.Druhy termoelektrických článků :
měď – konstantan,označení T rozsah 200°C až + 400°C železo – konstantan, označení J rozsah měření je –200°C až +700°C) atd.
c) Odporové snímače Převádí měřenou neelektrickou veličinu na změnu elektrického odporu. Hlavní výhodou je jednoduchost. Z hlediska převodu rozdělujeme odporové snímače na:
Kontaktové snímače Ke změně odporu dochází skokem, přepnutím kontaktu. Přesnost, spolehlivost a dobu života ovlivňují materiál, konstrukce a provedení kontaktů. Používají se pro snímání posunu
Potenciometrické snímače Mají pohyblivý kontakt potenciometru spřažený s měřenou veličinou lineárním a nebo úhlovým posunem. Potenciometry na měření lineárního posunu jsou nejčastěji z odporového drátu,který je navinutý na kostře. Po drátu se pohybuje běžec potenciometru a tím se mění odpor. Používají se pro snímání posunu, úhlu.
21
Tenzometrické snímače Princip: odpor R kovového drátu je závislý na jeho délce l.
R = ρ⋅
R ρ S l
l S
[Ω,Ω.m, m, m2]
odpor materiálu [Ω] rezistivita [Ω.m] plocha průřezu materiálu [m2] délka materiálu [m]
Relativní změnu odporu získáme ze vztahu:
lnR = lnρ + lnl − lnS jeho derivací rovnice dostaneme vztah pro malé změny odporu:
dR dρ dl dS = + − R ρ l S K
dR dl = K. R l
se nazývá součinitel deformační citlivosti.
Odpor tenzometru je teplotně závislý, proto je nutné teplotu kompenzovat. Tenzometry se používají např. pro měření relativní deformace nebo zrychlení.
22
Odporové tepelné snímače - Využívají principu změny odporu při změně teploty, který vychází ze vztahu:
R2 = R0 .(1 + α.Δϑ ) R2
odpor při vyšší teplotě
R0
odpor při vztažné teplotě [Ω]
Δϑ
rozdíl teplot
α
teplotní součinitel odporu (v tabulkách) [K-1]
[Ω] [°C]
pro hliník Al je
α = 0,004 K-1 ;
pro měď Cu je
α = 0,0042 K-1
d) Kapacitní snímače Mají tvar válcového nebo deskového kondenzátoru s proměnnou plochou S, proměnlivou vzdáleností elektrod d nebo se změnou є
C =
ε ⋅S d
[F, F.m-1, m2, m]
23
e) Indučnostní snímače Převádějí neelektrickou veličinu na změnu indukčnosti. Indukčnost cívky L s N závity má hodnotu:
N2 L= Rm
[H, - , H-1]
Rm
magnetický odpor
N
počet závitů cívky
Použítí např. pro snímání posunu, sklonu a náklonu nebo zrychlení.
f) Fotoelektrické snímače Používají prvky, které jsou citlivé na osvětlení - fotodiody a fototranzistory. Použítí: například při určování polohy, rychlosti, otáček, posunu atd. Příklad měření polohy jezdce x u potenciometru: RX
Rp Ro
I
R0
Rp
U=
I=
A
<1
Rp
U Rp + RX
Ro Rp Ro
=1
>1
x
24
