5. MĚŘENÍ PROUDU, NAPĚTÍ a VÝKONU EL. PROUDU

Transkript

1 5. MĚŘEÍ PROD, PĚTÍ a VÝKO EL. PROD Měření proudu a napětí: etalony, referenční a kalibrační zdroje (včetně principu pulsně-šířkové modulace) měření stejnosměrného napětí: přehled možností s ohledem na velikost měřeného napětí, princip kompenzační metody (kde se využívá), měření velmi malých napětí, vliv vstupní napěťové nesymetrie skutečného OZ, automaticky nulovaný zesilovač, modulační zesilovač (principy), měření teploty termočlánky měření stejnosměrného proudu: přehled možností s ohledem na velikost měřeného proudu, metody pro měření velkých proudů měření střídavého napětí a proudu: přehled použitelných přístrojů a jakou hodnotu měří, měření střídavého proudu (přehled) měřicí transformátory ( i I, náhradní schéma, zapojení, použití, chyby) Měření výkonu el. proudu: Výkon stejnosměrného proudu (V-metrem a -metrem, chyby metody) Definice P, Q, S - měření výkonu v jednofázových sítích (P, Q, chyba metody) Elektronický (číslicový) W-metr (širokopásmové převodníky I, kmitočtově kompenzované děliče) Měření spotřeby el. energie - indukční a elektronický elektroměr BX38EMB P5 1

2 MĚŘEÍ PROD PĚTÍ Etalony, referenční a kalibrační zdroje Základní jednotkou SI elektrický proud realizace: proudové váhy (primární etalonáž) Sekundární etalony etalony napětí (=IR) Westonův etalonový článek (známá teplotní závislost napětí, velký R i, nesnáší otřesy) Josephsonův jev supravodivý I drát s hrotem e h = nf 0 h e = 483,59790 THz / V supravodivé pásky + R 3 R R 1 r Teplotně kompenzované zenerovy diody (definovaný proud + termostat) Referenční zdroje integrované obvody r = ZD (R 1 +R ) / R 1 teplotně kompenzovaná Zenerova dioda BX38EMB P5

3 apěťové kalibrátory (přesné D/ převodníky s šířkovou modulací) ZR KO r f SO ŘO u DP 0 T T 0 t r T 0 kde = = r X f T T, = T = r X f X X = číslo, které převádíme na napětí = rozsah převodníku BX38EMB P5 3

4 MĚŘEÍ STEJOSMĚRÉHO PĚTÍ 10 mv 1000 V magnetoelektrické voltmetry, R i = 1 50 kω/v R i > 10 MΩ/V měřicí stejnosměrně vázané zesilovače na výstupu mg.el. 10 mv 1 V měřicí stejnosměrně vázané zesilovače systém, nebo /Č 0,1 mv 10 mv automaticky nulované zesilovače převodník < 1 mv modulační zesilovače (pro ČV typ. 00mV, > 1000 V děliče napětí 10 MΩ/V). viz. přednáška č. 3 nutno uvažovat i vliv vstupní napěťové nesymetrie Princip kompenzační metody I IV IV X = k I IV = 0 R vst = X k Použití - kompenzační Č převodníky - kompenzační zapisovače BX38EMB P5 4

5 utomaticky nulovaný zesilovač _ HZ HZ - hlavní zesilovač PZ - pomocný zesilovač + B + + PZ B C B C B Poloha : vstupní napěťová nesymetrie PZ je zesílena a výstupní napětí je zapamatováno na C Poloha B: napěťová nesymetrie PZ je kompenzována napětím z C, Vstupní napěťová nesymetrie HZ je zesílena PZ a přivedena na kompenzační vstup HZ tím je kompenzována napěťová nesymetrie HZ. Současně je toto napětí zapamatováno na C B a použito pro kompenzaci HZ v předchozím taktu (poloha ). BX38EMB P5 5

6 Modulační zesilovač f R F u u 4 u 1 u u 3 u x C u 4 F C C ~ u x u 1 u t t t u 3 BX38EMB P5 6

7 Měření teploty termočlánky Cu Cu SPOJOVCÍ VEDEÍ = α 1 (ϑ 1 -ϑ s ); α 1 = termoelektrický koeficient (VK -1 ) ϑ S B PRODLŽOVCÍ VEDEÍ ϑ s = teplota studeného (srovnávacího) konce. Lze stanovit měřením nebo kompenzovat kompenzační krabicí. ϑ 1 R Cu R ϑ M1 Izotermální svorkovnice P R S R V ϑ M MĚŘICÍ MODL ϑ S ϑ Mn ϑ S S MLTI- PLEXEREM, / Č PŘEVOD- ÍKEM PROCE- SOREM ϑ ϑ 1 Kompenzační krabice SEZOR TEPLOTY BX38EMB P5 7

8 MĚŘEÍ STEJOSMĚRÉHO PROD 10 µ 1000 magnetoelektrické systémy, magnetoelektrické systémy s bočníkem nebo bočník a -Č převodník s předzesilovačem (úbytky typicky mv) < 10 µ obvykle měření úbytku napětí na vysokoohmovém odporu mikrovoltmetrem s modulačním zesilovačem (úbytky) < 10 m bez úbytku napětí převodník proud - napětí s OZ (viz. přednáška 3, nutno uvažovat i vstupní klidové proudy) >1000 neúměrné výkonové ztráty na bočníku, používají se magnetické senzory: I I x + R = R I x Hallovy sondy BX38EMB P5 8

9 MĚŘEÍ STŘÍDVÉHO PĚTÍ 1. Měření střední hodnoty, cejchováno v efektivní hodnotě pro sinusový průběh - magnetoelektrický s usměrňovačem 1000 V (50 Hz 5 khz) - číslicové multimetry nižší třídy (od cca 10 mv, do cca 100 khz) VSTPÍ DĚLIČ! STŘÍDVÝ ZESILOVČ OPERČÍ SMĚRŇOVČ FILTR+ČP ČV analogový nf voltmetr - < 1 mv - lock-in zesilovač (viz. řízený usměrňovač přednáška 3) nebo selektivní mikrovoltmetr (je třeba měřit jen požadovanou frekvenci). Poznámka: Měření VF signálu není v osnovách tohoto předmětu. BX38EMB P5 9

10 . Měření efektivní hodnoty - elektromagnetický (feromagnetický), elektrodynamický, magnetoelektrický s termočlánkem V!!POZOR!! frekvenční omezení - < 10 V elektronické převodníky efektivní hodnoty (TRE RMS to DC converter) nejpoužívanější implicitní převodník (např. IO D 637) - vzorkovací metoda pro schodovitou aproximaci: 1 ef = u n n= 1 kde = počet vzorků za periodu BX38EMB P5 10

11 MĚŘEÍ STŘÍDVÉHO PROD efektivní hodnota přímo elektomagnetický ampérmetr (1 m 10 ) úbytky i na indukčnosti systému, frekvenční omezení (cca do 1 khz) pro harmonický průběh magnetoelektrický s usměrňovačem vždy bočník velká spotřeba (viz.. přednáška) číslicové multimetry (ampérmetry) měření úbytku na bočníku úbytky typicky 10 (0) mv nebo 100 (00) mv, použitelné do jednotek khz. Pro vyšší kmitočty (do stovek khz) se používá bezindukční (koaxiální) bočník: trubka a čela z vodivého materiálu I x B keramická trubka vrstva z odporového materiálu měření proudu s galvanickým oddělením převodníky s Hallovou sondou (viz. stejnosměrná měření) a MTP BX38EMB P5 11

12 MĚŘICÍ TRSFORMÁTORY Měřicí transformátory proudu (MTI, MTP) (současně galvanické oddělení) se používají pro proudy větší než cca 10 bez stejnosměrné složky (pro technické kmitočty). I zpravidla 5 (1). Měřicí transformátory napětí (MT) (galvanické oddělení) lze použít pro střídavá napětí bez stejnosměrné složky (pro technické kmitočty). zpravidla 100 V. Zjednodušené náhradní schéma měřicího transformátoru přepočítaného na primár : I 1 R 1 L r1 L r R I 1 i Z R Fe I 01 L h = I = 1 p = = I pii 1 R = = p R Z p Z magnetovací proud I 01 způsobuje chybu převodu a fáze MTI požadavek Z minimální, sekundár se nesmí rozpojit!! úbytky napětí na R 1, R, L r1, L r způsobuje chybu převodu a fáze MT požadavek Z maximální. BX38EMB P5 1

13 Zapojení měřicích transformátorů do obvodu MTI MT I 1 K L I k l M m T W Z Z 1 V n W BX38EMB P5 13

14 Výkon elektrického proudu - definice Okamžitý výkon: p = u i Harmonické průběhy: u = i = I ef ef sin ωt sin ( ωt + ϕ) eharmonické průběhy: stejnosměrný proud P = I 1 1 střídavý proud P = p dt = T T 0 P = ef I ef cos ϕ činný výkon Q = ef I ef sin ϕ jalový výkon S = ef I ef zdánlivý výkon S > P + Q navíc deformační výkon Měření výkonu stejnosměrného proudu T T 0 u i dt ( S = P + Q ) I I Z I V V = Z Z korekce korekce chyby metody: chyby metody: P = Z (I - I V ) = V V Z Z P = I ( V - ) I I V = Z /R V = I R Pozn: Je možné použít i elektrodynamický wattmetr BX38EMB P5 14

15 Měření výkonu střídavého proudu v jednofázové síti (harm. průběh) Činný výkon P = I cos ϕ nelze použít -metr a V-metr a) I PC b) Pozn.: V případě, že se neprovádí * I Z * * * korekce chyby metody, je vhodnější použít zapojení b) ~ I C Z Z ~ C Z Z W. M W TP u P = ; P = k W α W - /R C P = k W α W - I R PC (R PC většinou neudán) I 1 K MTP L P Z = P p I p = k W α W p I p k I * l * W MT M m 1 n Z ( p. p. u ) + ( P. p. u ) ( P. p u ) u PZ = + I P I p. TPW. M W TPMTP. pi TPMT. p u P = ; upi = ; up = pi BX38EMB P5 15

16 Jalový výkon Q = I sin ϕ = I cos (π/ - ϕ) W je nutno posunout o π/ vůči Z Z * * W π/ Z BX38EMB P5 16

17 . S analogovou násobičkou Číslicový Wattmetr u(t) i(t) / I / ÁSO- BIČK. kanál p(t) FILTR P ČP / : kmitočtově kompenzovaný dělič R 1 u 1 C p1 C k1 Σ ČP u R C k C p 3. kanál R 1 (C k1 C p1 ) = R (C k C p ) I / (viz přednáška 5): Transformátor + I / s OZ Koax. bočník + zesil. s galv. odd. Převodník s Hallovou sondou 50 Hz až jednotky khz až stovky khz až desítky khz. S číslicovým zpracováním signálu u(t) i(t) I VZORKOVČ + -Č PŘEV. VZORKOVČ + -Č PŘEV. {u i } {i i } PMĚŤ + PRO- CESOR 1 P = ; = počet vzorků za periodu BX38EMB P5 17 j= 1 u j i j ZOBRZOVČ ČÍSLICOVÝ VÝSTP

18 Měření spotřeby el. energie Elektronický (statický) elektroměr u(t) i(t) / I / ÁSO- BIČK p(t) FILTR P f f~p (DĚLIČK) REGISTR. POČITDLO ~ W t t t f = ; = = f t = k P t = k W t Integrace s využitím převodníku f viz přednáška 6 Indukční elektroměr BM Φ 1m M P i i1 i 1 ~ i MOPC PC BM K i i K Φ m MOC i ~ u C BX38EMB P5 18