Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava
5. ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ
5.1 Úvod 5.2 Elektrické měřící přístroje 5.3 Měření elektrických veličin 5.4 Měření neelektrických veličin
Doc. Ing. Václav Vrána, CSc.; Ing. Jan Vaňuš září 2006
1
Elektrická měření
5. Elektrické měření 5.1
Úvod
Elektrické měření představuje poznávací proces (soubor operací), jehož prvořadým cílem je zjištění výskytu a velikosti měřené veličiny. V poznávacím procesu měření využíváme známých poznatků o fyzikálních jevech a zákonech. Hodnota veličiny je velikost specifikované veličiny, vyjádřená jako měřicí jednotka, násobená číslem. Zkrátka, měřidlo je to, co udává hodnotu veličiny jako násobek její jednotky Základní elektrické veličiny (např. U a I) určují kvalitativně i kvantitativně nejen stav elektrických obvodů, ale i nejrůznějších objektů. U těchto objektů pak měříme neelektrické fyzikální veličiny (např. tlak, teplotu, rychlost,apod.), které lze poměrně snadno převést na elektrické veličiny, tedy na elektrické signály jako nositele informace. Velikost, popř. číselnou hodnotu měřené A veličiny, udává měřící přístroj (MP), který se nazývá také měřidlo. MP porovnává měřenou R I U veličinu s jednotkou příslušné veličiny. + Příklad: Ukazuje-li ampérmetr zapojený např. hodnotu v elektrickém obvodě obr .5.1. Příklad měření el. proudu 5 A, znamená to, že měřený proud je 5 x větší, než jeho jednotka - 1 A. K zajištění jednotnosti a správnosti měřidel a měření slouží Zákon o metrologii tzv. metrologický zákon č. 505/1990 Sb. ve znění pozdějších novel a velkého množství navazujících prováděcích a souvisejících předpisů ( např. vyhlášky 262,264 /2000 Sb., 344/2002 Sb.atd) . Zákon o metrologii definuje pojem návaznost měřidel jako zařazení daných měřidel do nepřerušené posloupnosti přenosu hodnoty veličiny počínající etalonem nejvyšší metrologické kvality pro daný účel. Zákon dělí měřidla do kategorií, kterými jsou: - etalony, - pracovní měřidla stanovená (stanovená měřidla), - pracovní měřidla nestanovená (pracovní měřidla), a stanovuje certifikované referenční materiály a ostatní referenční materiály, pokud jsou určeny k funkci etalonu nebo stanoveného nebo pracovního měřidla. Proces návaznosti etalonů a pracovních měřidel je nazýván kalibrací, kdy se porovnávají vlastnosti pracovního měřidla zpravidla s etalonem, popřípadě lze použít certifikovaný nebo ostatní referenční materiál za předpokladu dodržení zásad návaznosti měřidel. podobě a rozsahu úkonu státní Proces návaznosti stanovených měřidel je nazýván ověřením, kdy se potvrzuje, že stanovené měřidlo má požadované metrologické vlastnosti. Zákon dále definuje státní metrologickou kontrolu měřidel (schvalování typu měřidla, prvotní a následné ověřování stanoveného měřidla a certifikace referenčních materiálů). Etalon měřicí jednotky anebo stupnice určité veličiny je měřidlo sloužící k realizaci a uchovávání této jednotky nebo stupnice a k jejímu přenosu na měřidla nižší přesnosti. Kromě tzv. státních etalónů, které uchovává ČMI, tvoří další podskupinu tzv. hlavní etalony- tyto etalony tvoří základ návaznosti měřidel u subjektů a podléhají povinné kalibraci prováděné v ČMI nebo ve středisku kalibrační služby (SKS).
2
Elektrická měření
Stanovenými měřidly jsou měřidla, která MPO stanoví k povinnému ověřování s ohledem na jejich význam v závazkových vztazích (například při prodeji, nájmu nebo darování věci, při poskytování služeb, nebo při určení výše náhrady škody, popř. jiné majetkové újmy), pro stanovení sankcí, poplatků, tarifů a daní, pro ochranu zdraví, pro ochranu životního prostředí, pro bezpečnost při práci, nebo při ochraně jiných veřejných zájmů. Seznam druhů stanovených měřidel, naleznete ve vyhláškách. Ověřovat stanovená měřidla jsou oprávněni: Český meteorologický institut - ČMI Autorizované metrologické středisko (AMS). Ověřené stanovené měřidlo opatří ČMI nebo AMS úřední značkou nebo vydá ověřovací list anebo použije obou způsobů. Grafickou podobu úřední značky a náležitosti ověřovacího listu stanoví vyhláška.. Stanovených měřidel může být používáno pro daný účel jen po dobu platnosti provedeného ověření. Novému ověření však tato měřidla již nepodléhají, pokud prokazatelně přestala být užívána k účelům, pro které byla vyhlášena jako stanovená Opravy (servis) stanovených měřidel, popřípadě jejich montáž (instalaci do místa používání), jsou oprávněny provádět pouze subjekty registrované k této činnosti u ČMI. Pracovní měřidla jsou měřidla, která nejsou etalonem ani stanoveným měřidlem. Jednotnost a správnost pracovních měřidel zajišťuje kalibrací v potřebném rozsahu jejich uživatel, není-li pro dané měřidlo vhodnější jiný způsob či metoda. K tomu zákon specifikuje uživateli oprávnění si stanovit způsob návaznosti svých pracovních měřidel, což je pojem, do jehož obsahu lze zahrnout výběr subjektu, který uživateli metrologické navázání měřidla provede, lhůty, ve kterých je toto navazování prováděno, jakož i kritéria shody skutečných metrologických parametrů měřidla s potřebami uživatele. Uživatelé pracovních měřidel si návaznost těchto měřidel mohou zajistit sami pomocí svých hlavních etalonů, prostřednictvím ČMI nebo Střediska kalibračních služeb - SKS nebo u jiných uživatelů měřidel, kteří mají příslušné hlavní etalony navázané na etalony ČMI, etalony SKS nebo na etalony zahraničních subjektů. Před uvedením pracovních měřidel nebo etalonů do oběhu má jejich výrobce a po provedení opravy těchto měřidel opravce povinnost zajistit jejich prvotní kalibraci. Prvotní kalibraci dovážených pracovních měřidel zajišťuje jejich uživatel, pokud již nebyla zajištěna dovozcem nebo zahraničním výrobcem. Úředním měřením se rozumí metrologický výkon, o jehož výsledku vydává autorizovaný subjekt doklad, který má charakter veřejné listiny - náležitosti dokumentu o úředním měření stanoví vyhláška. ÚNMZ může autorizovat subjekt na jeho žádost (náležitosti žádosti o autorizaci a podmínky pro autorizaci stanoví vyhláška) k výkonu úředního měření ve stanoveném oboru měření po prověření úrovně technického a metrologického vybavení . Podmínkami výkonu je používání měřidel, u nichž je zajištěna metrologická návaznost, certifikát odborné způsobilosti úředního měřiče vydaný akreditovanou osobou, nebo osvědčení o odborné způsobilosti vydané ÚNMZ a dohled prováděný ČMI. ÚNMZ může uložit pokutu až do výše 1 000 000 Kč subjektu, který např.: - uvedl do oběhu měřidlo, jehož typ nebyl schválen nebo ověřen, - použil stanovené měřidlo bez platného ověření k účelu, pro který byl předmětný druh měřidla vyhlášen jako stanovený, - neoprávněně použil, pozměnil nebo poškodil úřední nebo kalibrační značku měřidla, 3
Elektrická měření
- ověřil stanovené měřidlo, provedl úřední měření bez oprávnění, - vyrobil, popřípadě opravil nebo provedl montáž měřidla bez předepsané registrace, - neposkytl zaměstnancům ČMI stanovenou součinnost, - atd.
„Orientační“ či „informativní“ měřidla -
jedná se o pracovní měřidla, která byla před uvedením do oběhu prvotně kalibrována
-
měřidlo musí být jednoznačně odlišitelné značkou od ostatních pracovních měřidel, (např. informativní měřidlo)
-
za základ je zde možné vzít prvotní kalibraci u výrobce a té přisoudit neomezenou lhůtu platnosti,.
-
omezujícím aspektem je, že se nikdy nesmí jednat o měřidla, která by mohla mít přímý či blízký vliv na: -
jakost činnosti – výroby či služby apod.,
-
bezpečnost při práci, zdraví či životní prostředí apod.,
-
měřidlo nebude použito pro měření, pro které je předepsáno použití pracovního měřidla, ošetřeného v metrologickém systému firmy, zaměstnanci musí být v tomto smyslu poučeni,
-
ve větších subjektech s velkými počty měřidel je možné, že tato měřidla nebudou s ohledem na svůj „význam“ vedena v metrologické evidenci, zatímco ostatní pracovní měřidla pochopitelně ano.
5.1.1. Elektrické měření obsahuje:
Objekt měření - zjišťujeme jednu nebo více měřených veličin,
Metoda měření – v souladu s odpovídajícím fyzikálním zákonem.
Měřící zařízení - zjištění hodnoty měřené veličiny Zpětné působení Měřící zařízení
Objekt měření
Obr. 5.2. Obecný příklad elektrického měření.
5.1.2. Základní zásady a pojmy a)
Měření s ručkovými měřícími přístroji
výchylku ručky se odečítá při pohledu kolmo na přístroj a měla by být ve třetí třetině rozsahu přístroje (zajistíme změnou rozsahu MP) na stupnici MP se odečte výchylka α, odpovídající hodnotě změřené veličině
vypočte se konstanta k přístroje k = r / αc kde αc …..celkový počet dílků na stupnici r ……měřící rozsah přístroje
hodnota měřené veličiny, např. při měření napětí U, se určí 4
,
U = k ⋅α Elektrická měření
příklady značek, vyskytujících se na ručkových měřících přístrojích (MP). MP je určen pro měření stejnosměrného proudu MP je určen pro měření střídavého proudu MP pro měření stejnosměrného (DC) a střídavého (AC) proudu 1,5 ; 0,5; 0.2
třídy přesnosti MP v % MP je určen pro svislou polohu MP je určen pro vodorovnou polohu
60°
MP je určen pro šikmou polohu 60° k vodorovné rovině značka uzemňovací svorky Značka „2 ve hvězdě“ znamená zkušební napětí je 2 kV; “hvězda bez čísla” znamená zkušební napětí je 500 V; „hvězda s 0“ znamená, že se zkušební napětí nezměřilo.
b) Měření s digitálními měřícími přístroji Většinou se jedná o multifunkční MP (tzv. multimetry) s možnostmi měření více veličin. Parametry a návod k použití bývá uveden v průvodní dokumentaci.
5.2.
Elektrické měřící přístroje (EMP)
5.2.1. Rozdělení podle snímání a zobrazení výstupní veličiny: a) Analogové - určeny pro vyjádření nebo zobrazení výstupní informace jako spojité funkce měřené veličiny. b) Číslicové (digitální) - měřená veličina se na vstupu převádí v A/D převodníku na hodnotu v číslicovém tvaru. c) Ukazovací - zobrazuje kdykoliv hodnotu měřené veličiny bez jejího zaznamenávání. d) Zapisovací - zapisuje na nosič informace odpovídající hodnotě měřené veličiny. 5.2.2. Ručkové měřící přístroje Podle druhu použitého měřícího systému, který je označen značkou na stupnici, bývají tyto přístroje přednostně doporučovány k měření daného druhu veličin. magnetoelektrický přístroj magnetoelektrický přístroj s usměrňovačem magnetoelektrický přístroj s termočlánkem elektromagnetický měřící přístroj elektrodynamický měřící přístroj ferodynamický měřící přístroj 5
Elektrická měření
Při měření je nutno vždy prověřit, zda druh měřené veličiny (AC,DC) odpovídá značce uvedené na stupnici.
5.2.3 Ostatní měřící přístroje
Číslicové (digitální) měřící přístroje Spojité (analogové) elektrické signály se převádějí v číslicových měřících systémech do číslicové formy. Výhodami jsou vyšší přesnost měření ve srovnání s elektromechanickými měřícími přístroji, odpadá chyba nepřesným odečítáním, vyšší mechanická odolnost, možnost připojení přímo na PC. Osciloskop - je přístroj, určený k zobrazení časových průběhů prakticky všech druhů signálů (stejnosměrné i střídavé periodické průběhy). Pomocí osciloskopu lze zjistit maximální hodnotu (amplitudu) nebo mezi vrcholovou hodnotu (rozkmit) signálu. Obvod časové základny osciloskopu zajišťuje pohyb měřeného signálu na obrazovce. Oscilograf je přístroj určený k zapisování časových průběhů naměřených veličin. na papír, který se pohybuje konstantní rychlostí.
Virtuální měřící přístroje (VMP) - (PC + převodník)
Podstatou VMP je doplnění PC zásuvnou multifunkční kartou (zásuvnou měřící deskou) a vytvoření vhodného programu pro PC, který realizuje všechny činnosti měřícího přístroje. Významnou roli zde hraje tzv. vývojové prostředí umožňující pohodlné a poměrně snadné vytváření vlastního software. Známá jsou např. vývojová prostředí Lab Windows, Lab View apod. Určitým kompromisem mezi klasickým MP a VMP je spojení MP s počítačem přes tzv. rozhraní (sériové, - RS, paralelní - GPIB) umožňující doplnění funkcí MP dalšími funkcemi pomocí SW v PC. MP většinou slouží jako snímač a převodník měřené veličiny, která je pak dále zpracována v PC. Takto lze např. z digitálního osciloskopu vytvořit další měřící přístroj např. frekvenční analyzátor. Výhodnými vlastnostmi VMP jsou nižší ceny, možnosti změn vlastností MP změnou programu, flexibilita přístroje pro různá měření.
5.3.
Měření elektrických veličin
5.3.1 Měření elektrického napětí Přístroje pro měření elektrického napětí se nazývají voltmetry. Zapojují se vždy paralelně k měřenému obvodu. V Značka voltmetru Voltmetry pro střídavá napětí měří ustálené střídavé napětí, které se charakterizuje efektivní hodnotou napětí. Stupnice elektromechanického přístroje je cejchována v efektivních hodnotách. Změna měřícího rozsahu voltmetru se provádí:
V i
Předřadným odporem Rp Měřené napětí U se zmenší na napětí přiváděné na měřící systém R UV podle vztahu pro napěťový dělič: U v = U ⋅ R +R P
V i
6
Elektrická měření
hodnota odporu měřícího systému, hodnota předřadného odporu
RiV RP
Měřícím transformátorem napětí - slouží ke změně rozsahu voltmetrů pro střídavá napětí síťového n kmitočtu. Měřené napětí U se N změní v závislosti na napěťovém převodním poměru UV U V transformátoru k na hodnotu U (AC) RiV >> 0 ě tí p ř ivád ě nou na voltmetr nap M m U UV dle vztahu . U V = ⋅ kU
5.3.2 Měření elektrického proudu Přístroje pro měření elektrického proudu se nazývají ampérmetry. Zapojují se vždy do série s měřeným obvodem. Značka ampérmetru:
A
RiA A
Náhradní schéma
Obr. 5.4.
Připojení ampérmetru ovlivní poměry měřeného obvodu. Aby byla chyba měření co nejmenší, je potřeba zajistit co nejmenší vnitřní odpor RiA ampérmetru. Změna měřícího rozsahu ampérmetru se provádí:
Bočníkem, pomocí bočníku (je to rezistor), převádíme měřený proud na napětí
Rb
I=
A
U RB
[A, V, Ω]
Obr. 5.5 Ampírmetr s bočníkem
I
U
Měřícím transformátorem proudu,
K
k
L
l
A
kI
R
IA
I = I A ⋅ pI kI =
I IA
Měřící transformátor proudu slouží ke změně rozsahu ampérmetrů pro střídavé proudy síťového kmitočtu. Měřený proud I se změní v závislosti na proudovém převodním poměru transformátoru kI na hodnotu proudu přiváděnou na ampérmetr IA dle I vztahu . I A = = ⋅(k U ⋅ I ) kI
5.3.3 Měření elektrického výkonu W Pro měření činného výkonu se používá wattmetry, které využívají elektromechanické nebo elektronické principy. Výkon na spotřebiči v zapojení el. obvodu se střídavým nebo stejnosměrný zdrojem napětí lze určit pomocí nepřímé nebo přímé metody: a)
Nepřímá metoda 7
Elektrická měření
Napětí se změří voltmetrem a proud, protékající obvodem ampérmetrem. Elektrický výkon stejnosměrného + A proudu ve spotřebiči se stanoví součinem napětí UV na spotřebiči a IA procházejícím proudem Iz. U zd V Rz UV I z= I A Tuto metodu lze použít i ve střídavém obvodě, pokud víme, že cos ϕ = 1. (tzn. v el. obvodu je zapojen pouze odporový bezindukční spotřebič).
Obr. 5.7. Nepřímá metoda měření výkonu
. Zdánlivý výkon zjistíme z naměřených hodnot proudu a napětí.
S = U.I
Platí vztah
[VA, V, A]
b) Přímá metoda Měření činného výkonu: Pro měření jednofázového činného výkonu spotřebiče napájeného ze střídavého zdroje napětí použijeme wattmetr, zapojený podle obr.5.8. Wattmetry jsou přístroje, které mají 2 měřící obvody. Proudový měřící obvod (proudová cívka)je zapojen jako ampérmetr a napěťový měřící obvod (napěťová cívka) jako voltmetr .
W
A V
Ust
RL
Obr.5.8. Příklad zapojení W-metru v el. obvodu.
Při měření výkonu je nutné dát pozor na přetížení wattmetru (proudové i napěťové). Proto je vhodné zařazení do obvodu A + V. Výchylka wattmetru α je úměrná činnému výkonu P: P U ⋅ I ⋅ cos ϕ kw konstanta wattmetru α= = kW
kW
Výchylka α je tedy úměrná proudu I, napětí U, ale také fázovému posunu ϕ. Wattmetr lze přetížit, aniž by ručička dosáhla maximální výchylky. Pro měření činného výkonu v 3-fázových obvodech se používají tyto způsoby zapojení: • Zapojení s jedním 1-fázovým W-metrem (souměrná zátěž) P= 3 . PW • Zapojení s jedním 3-fázovým W-metrem • Zapojení se třemi 1-fázovými W- metry (obr.5.9)
8
Elektrická měření
Obr. 5.9. Zapojení se třemi jednofázovými wattmetry
Měření jalového výkonu: Z definice jalového výkonu Q = U ⋅ I ⋅ sin ϕ = U ⋅ I ⋅ cos(π / 2 − ϕ ) [var, V, A] vyplývá, že jalový výkon lze měřit přímou metodou pomocí var - metru (W-metru, zapojeného tak, že napětí je posunuto 90o). Jestliže použijeme nepřímou metodu, potom jalový výkon určíme z trojúhelníku výkonů: U 2 ⋅ I 2 = P 2 + Q 2 ⇒ Q = U 2 ⋅ I 2 − P 2 = (U ⋅ I + P ) ⋅ (U ⋅ I − P ) Měření zdánlivého výkonu Z definice zdánlivého výkonu S = U ⋅ I ⋅ je zřejmé, že změřením proudu I a napětí U v obvodu lze snadno určit S.
5.3.4. Měření elektrické energie Pro měření elektrické energie se používají nejčastěji elektroměry. Podle druhu proudu rozlišujeme elektroměry na stejnosměrný a střídavý proud (jednofázové, třífázové). t
W = ∫ u (t ) ⋅ i (t ) dt
Pro výpočet elektrické energie platí:
0
Pro neměnné hodnoty proudu a napětí
W=U.I.t
[J, V, A, s]
Práce je dána při konstantním výkonu součinem výkonu a času. Elektroměr obsahuje měřič okamžitého výkonu a integrátor. Wh Značka elektroměru: Podle principu činnosti rozdělujeme elektroměry na:
Elektromechanické elektroměry Elektromechanické elektroměry využívají mezipřevodu výkonu na mechanickou otáčivou rychlost a jejich integrátory jsou dekadická počitadla otáček. Používají se hlavně v energetice.
Elektronické elektroměry Výhodou elektronických elektroměrů je například možná komunikace elektroměrů (přes optická rozhraní, rozhraní RS232, RS 485.).
5.3.5
Měření odporu
a) Měření odporu pomocí Ohmmetru - je měřícího přístroje udávajícího velikost měřeného odporu přímo v Ohmech. Ve většině případů se jedná o součást tzv. víceúčelových měřících přístrojů - multimetrů.
9
Elektrická měření
b)
Měření pomocí tzv. Ohmovy metody . Využívá Ohmova zákona, podle kterého je měřený odpor RX =
UX IX
[Ω, V, A]
UX úbytek napětí na měřeném odporu IX proud procházející měřeným odporem Pro tuto metodu je nutné použití DC zdroje a dvou měřících přístrojů: V-metru a A-metru.
kde:
5.4. Měření neelektrických veličin elektrickými metodami 5.4.1. Podle druhu snímané neelektrické veličiny se rozlišují snímače: a) mechanických veličin ( např. poloha, rychlost, otáčky, síla, moment..) b) tepelných veličin ( např. teplota, tepelný tok ..) c) magnetických veličin ( např. mag. indukce, intenzita mag. pole ..) d) radiačních veličin ( např. intenzita viditelného, infračerveného a ultrafialového záření e) chemických veličin ( např. pH, koncentrace, vlhkost ..) Pro měření neelektrických veličin se využívá fyzikálních vlastností a jevů, umožňujících převod neelektrických veličin na elektrický signál. Tento signál se používá k dalšímu vyhodnocení nebo jako akční veličina (např. v automatizovaných provozech). Výhodou elektrického měření neelektrických veličin jsou velká citlivost, velká přesnost velká rychlost přenosu informace elektrického signálu, snadný přenos informace elektrického signálu (bezdrátový přenos, satelit, rádio), snadné zpracování signálu (pro indikaci signálu na displeji, registrace signálu). Nevýhodou mohou být větší pořizovací náklady. Vstupní snímač
Neelektrické veličiny
SENZOR
Měřící obvod (zesilovač + zdroj)
PŘEVODNÍK
Vyhodnocovací zařízení
Obr. 5.10. Blokové schéma způsobu převodu neelektrické veličiny na elektrickou veličinu
Vstupní snímač umožňuje přeměnu neelektrické veličiny na elektrický signál.
5.4.2. Podle využívaného fyzikálního jevu nebo principu snímání, který určuje druh výstupního signálu senzoru rozlišujeme snímače na: a) odporové b) kapacitní c) transformátorové d) indukčnostní e) indukční 10
Elektrická měření
f) g) h) i) j) k)
piezoelektrické optoelektronické vibrační magnetoelastické magnetoelektrické termoelektrické a další
5.4.3 Podle chování snímané neelektrické veličiny na výstupu senzoru rozdělujeme snímače: Generátorové (aktivní): a) Aktivní snímače umožňují přímý převod měřené neelektrické veličiny na elektrickou energii bez pomocného zdroje energie. Při působení snímané veličiny se snímač chová jako zdroj elektrické energie.Výstupní signál snímače (napětí, proud, náboj) se v měřícím obvodu zesílí a upraví na vyhodnocení ve vyhodnocovacím zařízení. Modulační (pasivní): b) Působením snímané veličiny na senzor se mění některý z parametrů senzoru (např. odpor R, indukčnost L, kapacita C, popř. i stav kontaktu). Musíme dodat zdroj elektrické energie.
11
Elektrická měření
