EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 15. Měření elektrických veličin

FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc.

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 15. Měření elektrických veličin OSNOVA 15. KAPITOLY ● Úvod do měření elektrických veličin ● Měření napětí ● Měření proudu ● Měření odporu, kapacity a indukčnosti ● Měření frekvence

Dálkové měření fyzikálních veličin ve velínu tunelu

ÚVOD DO MĚŘENÍ ELEKTRICKÝCH VELIČIN Neelektrické veličiny generované senzory se převádějí na elektrické, které jsou vhodné pro přenos, záznam a zpracování signálů a pro regulaci či automatizaci. Neelektrické veličiny převádíme na elektrické pomocí:

Odporový převodník

Kapacitní převodník

Indukční převodník

 Odporových převodníků  Kapacitních převodníků  Indukčních převodníků Elektrické senzory dělíme na:  Aktivní senzory Generují napětí, proud, či frekvenční a pulzní signály napětí / proudu  Pasivní senzory Generují odpor, indukčnost či kapacitu Přednáška je zaměřena na způsoby měření elektrických veličin, a to napětí, proudu, frekvencí, odporu, indukčnosti a kapacity.

2

MĚŘENÍ NAPĚTÍ - 1 Senzory generující napětí - zdroje napětí: Termočlánky, tachodynama, rychlostní průtokoměry, anemometry, průmyslové měřiče tepla, alfametry a další. PŘÍMÁ METODA MĚŘENÍ NAPĚTÍ Svorkové napětí [V]

U S  U0  Ri I Proud v obvodu [A]

U0 I Ri  R

V

Skutečné napětí [V] Náhradní schéma

Zatěžovací charakteristika

US U0  Ri 1 Ri  R

U0 [V] napětí zdroje - je funkcí měřené veličiny Ri [W] vnitřní odpor zdroje napětí - senzoru Digitální voltmetry mají velký vnitřní odpor RV - nezatěžují zdroj.

3

MĚŘENÍ NAPĚTÍ - 2 VOLTMETRY PRO PŘÍMÁ MĚŘENÍ mají mít velký vnitřní odpor Rv Analogové: Magnetoelektrické (stejnosměrná napětí 0,003 až 750 V) Elektromagnetické (pro střídavá napětí 10 až 1000 V) Elektrodynamické (pro střídavá napětí 7,5 až 750 V) Digitální: Digitální voltmetry a počítače ÚPRAVY NAPĚTÍ na požadovanou úroveň napětí pro možnost připojení k dalším přístrojům či regulačním obvodům.  Úprava nízkého napětí zesílením: Odporový (viz další kapitoly) dělič napětí  Úprava vysokého napětí U1 odporovým děličem napětí: Výstupní napětí U2 [V] se určí z napětí U1 [V] a odporů R1, R2 [W]

R2 U 2  U1 R1  R2

Pozn.: R2 lze chápat i jako vnitřní odpor voltmetru napojeného do série s předřadným odporem R1.

4

MĚŘENÍ NAPĚTÍ - 3 USMĚRNĚNÍ STŘÍDAVÉHO NAPĚTÍ pro možnost dalšího zpracování ve stejnosměrných obvodech  Měření střídavého napětí voltmetrem s analogovým výstupem  Obvody s diodami D a kondenzátorem C.

U

U



Jednocestný usměrňovač

Můstkový usměrňovač

 5

MĚŘENÍ PROUDU - 1 SENZORY GENERUJÍCÍ PROUD - zdroje proudu: Termoanemometry CTA, ionizační komory a další. Získají se i ze zdrojů napětí, které mají v sérii zapojený rezistor s velkou hodnotou odporu. PŘÍMÁ METODA MĚŘENÍ PROUDU Měřený proud [A]

US I  IK  Ri Svorkové napětí [V]

US  R I Skutečný proud [A] Náhradní schéma

Zatěžovací charakteristika

IK [A] proud generovaný zdrojem - senzorem Ri [W] vnitřní odpor zdroje - senzoru

 R  I K  I   1   Ri   6

MĚŘENÍ PROUDU - 2 AMPÉRMETRY PRO PŘÍMÁ MĚŘENÍ musí mít malý vnitřní odpor Rv Analogové: Magnetoelektrické (pro stejnosměrné proudy 10-6 až 1000 A) Elektromagnetické (pro střídavé proudy 1 až 100 A) Elektrodynamické (pro střídavé proudy 0,3 až 100 A) Digitální: Digitální ampérmetry a počítače Klešťové: Transfor. s 1 primárním závitem (pro velké střídavé proudy) ÚPRAVY PROUDU pro možnost připojení k dalším přístrojům ...  Úprava malého proudu zesílením: Odporový (viz další kapitoly) dělič proudu  Úprava velkého proudu I1 odporovým děličem proudu: Výstupní proud I2 [A] se určí z proudu I1 [V] a odporů R1, R2 [W]

R1 I 2  I1 R1  R2

Pozn.: R2 lze chápat i jako vnitřní odpor ampérmetru zapojeného paralelně s bočníkem R1 (používají se pro stejnosměrné proudy).

7

MĚŘENÍ ODPORU, KAPACITY A INDUKČNOSTI - 1 ODPOR R [W] ohm KAPACITA C [F] farad INDUKČNOST L [H] henry

obecně způsobují IMPEDANCI Z [W]

Odporové snímače: odporové teploměry, termoanemometry, bolometry, fotorezistory, některé elektrické analyzátory plynů, odporové vysílače u čidel s mechanickým výstupem... Kapacitní snímače: ionizační komory, některé membránové snímače tlaku a jiné kapacitní vysílače pro registraci výchylek čidel... Indukční snímače: membránové snímače tlaku a další indukční vysílače převádějící změny výchylky čidel na změnu indukčnosti METODY MĚŘENÍ IMPEDANCE:  Výchylkové metody  Můstkové metody  Kompenzační metody aj.

8

MĚŘENÍ ODPORU, KAPACITY A INDUKČNOSTI - 2 VÝCHYLKOVÉ METODY MĚŘENÍ  MĚŘENÍ ODPORU RX [W] Impedance Z = RX [W] Obvod se napájí stejnosměrným napětím u = U [V] a platí Ampérmetr musí mít U malý odpor a voltmetr RX  I velký odpor.

 MĚŘENÍ KAPACITY CX [F] Impedance Z = 1/(w.CX ) [W] Napájení střídavým napětím u = Um sin w. a platí

I CX  wU

 MĚŘENÍ INDUKČNOSTI LX [H] Impedance Z = RL + j.w.LX [W] Napájení střídavým napětím u = Um sin w.. Platí

1 U2 2 LX  2  RL w I RL cívky, viz měření odporu

9

MĚŘENÍ ODPORU, KAPACITY A INDUKČNOSTI - 3 MŮSTKOVÉ METODY MĚŘENÍ AB je napájecí diagonála CD je měřicí diagonála Pro vyvážený můstek uCD = 0 platí:

Z1  Z 4  Z 2  Z 3  MĚŘENÍ ODPORU pomocí Wheatstoneova můstku Obvod je napájen stejnosměrným napětím Impedance Z1 až Z4 jsou nahrazeny odpory RX, R2, R3, R4. Neznámý odpor RX [W] se vypočte ze vztahu:

R2 R3 RX  R4

10

MĚŘENÍ ODPORU, KAPACITY A INDUKČNOSTI - 4 POUŽÍVANÉ TYPY MŮSTKŮ MĚŘENÁ VELIČINA

TYP MŮSTKU (NAPÁJENÍ)

R2 R3 Wheatstoneův RX  R4 (stejnosměrný) C4 R3 CX  R1 LX  R2 R3C4

Scheringův

Z1

Z2

RX

R2

R3

Z4 R4

R3

R1

C4

CX

(střídavý) Maxwellův Wienův

Z3

C3

RX

LX

R2

R3

(střídavý)

R4 C4

Odpor cívky RL = RX [W] se stanoví metodou měření odporu 11

MĚŘENÍ FREKVENCE - 1 TYPY FREKVENČNÍCH SIGNÁLŮ  Periodické průběhy - sinusové, pulzní i obecné signály  Neperiodické průběhy - pulzní aj. ÚPRAVA SIGNÁLŮ PŘED MĚŘENÍM C U1  Úprava amplitudy (zesilovače, děliče)  Filtrace nežádoucích frekvencí U1 FREKVENČNÍ SNÍMAČE: Elektrické impulsní otáčkoměry, snímače vibrací, hluku apod. SNÍMAČE S NEPERIODICKÝMI PULZY: Geigerovy - Müllerovy počítače, scintilační a polovodičové detektory záření, načítací čidla

U2

 U2

PRINCIPY MĚŘENÍ FREKVENCE  Měření doby jedné nebo více period  Měření počtu period nebo pulzů v čase  Převedení počtu pulzů na stejnosměrný proud či napětí  Měření pomocí můstku aj.

 12

MĚŘENÍ FREKVENCE - 2 PŘÍSTROJE PRO MĚŘENÍ FREKVENCE  Jazýčkové kmitoměry (pro f  50 Hz) Ocelové jazýčky s různými vlastními frekvencemi přitahované elektrickými magnety napájenými měřeným proudem. Přitahují se 2x za periodu kmitají dvojnásobnou frekvencí.

Uf

 Ručkové kmitoměry (pro f  50 Hz) - Pracují na principu elektrodynamických poměrových přístrojů.  Analogové elektronické kmitoměry (široký rozsah f) - Měří střední hodnotu nabíjecího proudu periodicky nabíjeného kondenzátoru.  Univerzální čítače (digitální kmitoměry pro f = 0 - 50 MHz) - Načítají i neperiodické pulzy po zvolenou dobu. Relativní nejistota je až 10-6.  Osciloskopy - Měřená frekvence se porovnává s frekvencí buzenou osciloskopem. Při stejné či harmonické frekvenci lze pozorovat statické obrazce.  Můstky - Wienův - Robinsonův můstek, Belfilsův můstek. 13