Martin

2. Maturitní Otázka

Elektromechanické měřící přístroje.

Elektromechanické měřící přístroje patří k nejstarším přístrojům pro měření elektrických veličin. Elektromechanické se nazývají proto, poněvadž se skládají z části:

• elektrické jako jsou cívky, svorky, vodiče, rezistory atd.
• mechanické jako jsou otočná část s uložením a ukazatelem, stupnice, základna atd.

 Jsou to takové přístroje, u nichž  měřená veličina přímo působí na měřící ústrojí (např. otočnou cívku) a tak vytvoří výchylku, úměrnou velikosti měřené veličiny. Tu pak za pomoci ručky a stupnice můžeme odečíst.)

Aj přesto že už sou nahrazeny novějšímy tak se stále používají. Přesto je jejich použití výhodné, k jejim přednostem patří

• přehledné a rychlé sledování údajů zvláště tam, kde je třeba rychle reagovat na jejich údaje (např. dopravní prostředky, velíny průmyslových provozů)
• okamžité rozlišení nárustu a poklesu sledované veličiny
• sledování analogových údajů je příjemnější než digitálních, proto se často jako výstupní zařízení kvalitního digitálního zařízení používá analogový zobrazovací jednotka (příkladem mohou být např. náramkové hodinky, panelové a rozvaděčové přístroje pro měření výkonu, cosj atd.)

Mimo tyto výhody mají velké množství nevýhod, jako např.:

• omezené funkční vlastnosti jako např. citlivost, přesnost, kmitočet, spotřeba
• náročné na materiály, pracné ve výrobě
• malá otřesuvzdornost a odolnost proti vnějšímu prostředí

Magnetoelektrická soustava.                                                       

Magnetoelektrická soustava, jinak též nazývaná soustava s otočnou cívkou, je založena na fyzikálním principu vzájemného silového působení magnetického pole stálého magnetu a magnetického pole otočné cívky, kterou protéká měřený el. proud.

Velikost silového působení těchto dvou magnetických polí je dána vztahem

              F = B . I . l    

   Kde   B  je indukce stálého magnetu     

             I      velikost proudu v měřící cívce

.          l    délka vodiče (cívky), nacházející se       v magnet. poli stálého magnetu

Poněvadž B a l jsou konstantní, silové působení a tím i moment soustavy a výchylka jsou úměrné jen protékajícímu proudu

              a = k . I

Z tohoto vztahu vyplývá jedna z významných vlastností tohoto systému a to lineární stupnice.

Symbol.

značka

 a.                                                             b.                        

Základní uspořádání přístroje s vnějším magnetem – a. a s výchylkou 240⁰- b.                                                       

Přívod proudu do cívky je proveden buď direktivními spirálovými pružinami nebo vodivými závěsovými vlákny.

Vlastnosti:

·         velmi dobrá citlivost – až 10ky mA a přesnost – běžně 1,5 až 2,5%, v laboratorním provedení  0,1%

·         malá spotřeba, daná vysokým odporem otočné cívky, navinuté ze slabého drátu

·         měří ss proud, v případě proměnného proudu měří jeho střední hodnotu

·         lineární stupnice

·      malá přetižitelnost (větším proudem se poškodí vinutí cívky i přívodní pružinky či závěs)

·         necitlivost k cizím magnetickým polím

Použití: univerzální, jako voltmetry a ampérmetry, vyhodnocovací zařízení elektronických měřících přístrojů, jako např. měřiče výkonu, účiníku (silnoproud), elektronické voltmetry atd.

   Magnetoelektrický přístroj s vnitřním magnetem

Elektromagnetická soustava.                   

Fyzikální princip této měřící soustavy je založen na využívání silových účinků magnetického pole elektromagnetu. Jednoduše lze řící, přístroj měří sílové účinky elektromagnetu, kterým protéká měřený proud.

Velikost silového působení závisí na druhé mocnině proudu, protékajícího měřící cívkou:

              F =  k . I²

Z tohoto vztahu vyplývá, že i výchylka, která je přímo úměrná tomuto silovému působení je rovna

              a = k . I²

Takže stupnice tohoto typu měřícího přístroje je nerovnoměrná  a to obecně kvadratická. Výchylka přístroje je úměrná efektivní hodnotě měřeného střídavého proudu.

Pozn.: Efektivní hodnota je myšlená hodnota ss proudu, který má stejné tepelné účinky jako uvažovaný (měřený) proud střídavý.

Vzhledem k tomu, že silové účinky se projevují u ss i stř proudu stejně, lze  měřit oba druhy proudu.

Symbol.

značka

                  a.                                                  b.

Fyzikální princip a konstrukční provedení elektromagnetické soustavy.

Vlastnosti:

·         měří ss  a stř proud a napětí

·         stupnice je nerovnoměrná, měří ef. hodnotu stř. průběhu, údaj silně závisí na kmitočtu (poněvadž střídavý odpor cívky měřícího přístroje neboli její reaktance závisí na kmitočtu  X_L  = w . L)

·         je dostatečně přesný – v běžném provedení třída přesnosti 1,5 až 2,5; v laboratorním provedení i 0,2

·         je velmi odolný proti přetížení a nárazům el. proudu

·         konstrukce je jednoduchá, jsou levné

·         má velkou spotřebu

Použití : měření napětí a proudů, hlavně střídavých. Převážně se používají jako panelová, rozvaděčová měřidla v silnoproudé elektrotechnice.

Elektrodynamická soustava.

Elektrodynamická soustava využívá pro vytvoření výchylky elektrodynamických sil. Jsou to síly, které vznikají mezi dvěma vodiči, kterými protéká el. proud. Tyto proudy vytváří v okolí každého vodiče (a nebo v cívky pro zvýšení citlivosti) magnetická pole. Ty mezi sebou vzájemně silově působí – buďse přitahují a nebo vzájemně odpuzují podle orientace směru proudu. Velikost silového působení je dána vztahem

              F = k . I₁ . I₂       kde I₁  ,I₂     jsou jednotlivé proudy

Konstrukční provedení se skládá z cívky pevné    cívky otočné, umístěné uvnitř pevné. Tyto přístroje se dnes používají výhradně jen jako wattmetry.

Indukční soustava.

Tato soustava vytváří pohybový moment na principu vzniku vířivých proudů.

Využití tohoto principu je výhradně jen jako měřič elektrické práce

              A = P . t       [Ws, W, s ]

Konstrukčně se podobá částečně předchozí soustavě elektrodynamické, poněvadž obsahuje také dvě nezávislá měřící ústrojí. Jedno je tvořeno cívkou s několika závity silného drátu a teče jím proud spotřebiče, druhé cívkou s mnoha závity slabého drátu a je připojeno paralelně ke spotřebiči  a snímá velikost napětí. Každá cívka vytváří vířivé proudy v otočném hliníkovém koilečku a tak na něj silově působí. Výsledné silové působení (moment) je pak úměrné součinu intenzit obou magnetických polí a navíc ještě fázovým posuvem mezi nimi

              F = k . I₁ . I₂   . cosj,  kde I₁   ,I₂    jsou proudy v jednotlivých cívkách a

                                                              j     je fázový posun mezi proudy v cívkách

Poněvadž    I₁ je úměrný proudu zátěže a

                    I₂ je úměrný naoětí zátěže,

je silové působení F ( a tím i počet otáček) úměrné jejímu okamžitému činnému výkonu P_Č, t.j.

              F = k . P. cosj = k . P_Č                                                      

                                                                                                          L₁

N

M₁     proudová cívka

M₂     napětťová cívka

BM    brzdící (tlumící) magnet

1 vstupní síťová svorka (L₁)

3 vstupní síťová svorka  (N)

          4, 6 svorky spotřebiče

Indukční měřič el. práce a jeho zapojení do měřícího obvodu.

 Třífázové měřiče el. práce mají obdobnou konstrukci. Mají většinou  třínásobný měřící systém, umístěný kolem jednoho kotoučku.  Mech. momenty, vyvozované jednotlivými systémy se pak sčítají.

Změna rozsahů voltmetrů a ampérmetrů.

1. Voltmetry.

U klasických elektromechanických voltmetrů soustavy magnetoelektrické, popř.

elektromagnetické se změna rozsahu provádí  pomocí předřadného odporu nebo měřícího

transformátoru napětí.

Změna předřadným odporem. Předřadný odpor RP  se zapojí do série s měřícím přístrojem.

Jeho význam je ten, že omezí proud měřícím přístrojem i při velkém měřeném napětí na

velikost, danou základním proudovým rozsahem použitého měřidla.  Má – li měř. přístroj

rozsah UV a vnitřní odpor RV , rozdělí se úbytky napětí

Změna rozsahu voltmetru předřadným odporem se provádí asi do měřeného napětí 1000V z důvodů el. pevnosti součástek (odporů), plošných spojů atd. Pro vyšší napětí se používají buď speciální vysokonapěťové sondy a nebo častěji měřící transformátory napětí.

U = U_RP + U_V        I_RP = I_VPříklad:

Magnetoelektrický mAmetr má základní rozsah I_V = 100mA a vnitřní odpor R_V =1000W.

Upravte jej pro měření napětí U = 30V. Jaký bude jeho celkový vnitřní odpor R ?

2. Ampérmetry.

U ampérmetrů magnetoelektrických, popř. elektromagnetických, se změna rozsahů provádí bočníkem nebo měřícím transformátorem proudu.

Změna rozsahu bočníkem. Bočník je odpor, který se připojuje paralelně k měřícímu přístroji. Tím se dle 1.Kirchhoffova zákona celkový měřený proud rozdělí na dvě části. Jedna část poteče měřícím přístrojem a nesmí přesáhnout velikost jeho základního proudového rozsahu a druhá část (zbytek) poteče bočníkem. Rozdělení proudů je nepřímo úměrné velikosti odporů měř. přístroje a bočníku.

Pozn.: Měření proudu mAmetrem s bočníkem je vlastně převedeno na měření úbytku napětí na odporu (bočníku) mVmetrem. Každý ručkový měř. přístroj měří jak proud, tak i napětí. Základní napěťový rozsah je dán úbytkem napětí na vnitřním odporu mAmetru

Příklad :

Měřící přístroj má základní proudový rozsah I_A = 1mA a vnitřní odpor R_A = 100W. Upravte je pro měření proudu I = 5A. Jaký bude úbytek napětí (spotřeba) tohoto ampérmetru při max. měřeném proudu, tj. 5A?

U_A = I_A . R_A = 1.10^-3A . 1.10²W = 10^-1V = 0,1V.

R_B = U_RB / I_RB = U_RB / (I – I_A) = 0,1V / (5A – 1.10^-3A) = 0,02W

Bočníkem lze měřit proudy do výše několika set A (bočník je pak jako samostatné příslušenství), větší proudy se měří výhradně pomocí měřícího transformátoru proudu. Bočníky pro větší proudy (desítky A a výše) mají zvláštní, tzv. čtyřdrátové připojení. Jeho význam spočívá ve vyloučení přechodových odporů a odporů přívodů, jejichž velikost je většinou podstatně vyšší, než je odpor samotného bočníku (pro větší proudy jsou to setiny až tisíciny W). Tím by mohlo dojít k vysoké chybě při měření.

Bočník se čtyřdrátovým připojením má dva páry svorek a to proudové a napěťové. Masivní proudové svorky slouží pro připojení velkého měřeného proudu. Druhé svorky se nazývají napěťové, jejich provedení je běžné a jsou připojeny přímo na tělese bočníku až za přívodními proudovými svorkami. Připojený měřící přístroj měří pouze úbytek napětí na bočníku bez nežádoucích úbytků na přechodových odporech přívodních proudových svorek a jiných parazitních odporech. Takový způsob připojení odporů se v praxi používá častěji v jiných oborech elektroniky, např. při připojování odporových čidel neelektrických veličin, při přesném měření odporů atd.

3. Měřící transformátory proudu a napětí.

Měřící transformátory proudu a napětí patří do skupiny elektrických přístrojů, nazývaných přístrojové transformátory. Jejich využití je obzvlášť významné v silnoproudé elektrotechnice a elektronice. Jsou to transformátory většinou s toroidním jádrem. Provedení je kvalitní a to s ohledem na izolaci mezi primárním a sekundárním vinutím a celkové provedení.

Výhody použití:

·     galvanicky oddělují měřený a měřící obvod a tím je zajištěna bezpečnost obsluhy při
měření v obvodech vn

·     mají velmi malou vlastní spotřebu

·     dělící poměr jednotlivých podrozsahů je přesně dán transformačním poměrem (počtem
závitů primárních a sekundárních)

·     proud lze měřit i bez rozpojení měřeného obvodu

·     měřící pracoviště může být vzdáleno od měřícího místa (propojení může být i běžným
vedením)

Změna rozsahů napěťového či proudového je dána převodem transformátoru:

N₁           U₁            I₂

p = -------  = ------  = -------

N₂           U₂            I₁

Měřící transformátor napětí (MTU) transformuje vysoké měřené napětí na doporučené sek.

napětí 100V nebo 500V, používá se hlavně pro měření napětí vyšších než 1kV.

Schéma zapojení napěťového měřícího transformátoru do obvodu.

Značení svorek je normalizované :

·     primární M, N a

·     sekundární m, n.

Sekundární  vinutí  je  uzemněno  kvůli  možnému  průniku  nebezpečného  napětí  vlivem kapacitní vazby mezi primárem a sekundárem.