17 Vlastnosti ručkových měřicích přístrojů

Transkript

1 17 Vlastnosti ručkových měřicích přístrojů Ručkovými elektrickými přístroji se měří základní elektrické veličiny, většinou na principu silových účinků poli. ato pole jsou vytvářena buď přímo měřeným proudem, nebo proudem, které v přístroji vytvoří měřené napětí. Pohyb otočného ústroji přístroje se převádí na ručku, jejíž výchylka udává na stupnici hodnotu měřené veličiny. Stupnice přístrojů mohou být lineární nebo nelineární s nulou na počátku. Občas se setkáme i se stupnicí s potlačenou nulou, případně s prodlouženou stupnici. této stupnice od místa označeného tečkou jsou uvedené hodnoty pouze orientační a nevyhovují třídě přesnosti měřidla. Stupnice měřícího přístroje s několika rozsahy neudává přímo velikost měřené veličiny, protože je rozdělena na dílky. těchto přístrojů musíme určit pro jednotlivé měřici rozsahy konstantu, tj. číslo, kterým násobíme počet dílků na stupnici, abychom dostali skutečnou hodnotu měřené veličiny. Na každém přístroji (zpravidla v pravém dolním rohu stupnice) bývá uvedeno několik důležitých údajů: 1. správná pracovní poloha stupnice. měřicí soustava 3. značka druhu proudu (napětí) a třída přesnosti 4. velikost zkušebního napětí voltmetrů je navíc uveden vnitřní odpor připadající na l V napěťového rozsahu přístroje. Je-li na stupnici údaj 1Ω/V, znamená to, že např. při rozsahu 1 V je odpor voltmetru 1 kω. ampérmetrů může být zadán vnitřní odpor (zpravidla v technické dokumentaci a zvlášť pro každý rozsah), anebo úbytek napětí na měřidle při maximální výchylce ručky. Podle způsobu převádění měřené elektrické veličiny na mechanický pohyb ukazatele rozeznáváme měřicí přístroje magnetoelektrické (deprézské, s otočnou cívkou) ferromagnetické (elektromagnetické) elektrodynamické tepelné elektrostatické, atd. Vyčerpávajícím způsobem jsou jejich fyzikální principy dobře popsané v literatuře, např. [1] nebo []. Zde si všimneme pouze nejpoužívanějších druhů voltmetrů a zopakujeme si, co který elektromechanický systém měří (značky měřících soustav jsou uvedeny v ab. 1). Přístroje magnetoelektrické mají výchylku ručky úměrnou střední hodnotě proudu (napětí) a stupnice je také tak cejchována. Reagují jen na stejnosměrné proudy a při zapojení je nutné brát zřetel na polaritu (přistroj má vždy označenou svorku + ). těchto přístrojů se užívá zpravidla tlumení vířivými proudy. Připojí-li se magnetoelektrický systém na střídavý proud (napětí), ručka se snaží sledovat změny polarity proudu. Při vyšších frekvencích to však není možné, proto se ustálí na nulové hodnotě. Abychom mohli tímto systémem měřit i střídavé proudy, musí mít zabudovaný usměrňovač (v našem případě se jedná o dvoucestný usměrňovač). Přistroj pak měří střední hodnotu usměrněného průběhu, ale je cejchován v efektivní hodnotě pro harmonický průběh. ento fakt ext 6/

2 má zásadní vliv na použití takového přístroje, protože propustnost usměrňovače není lineární funkcí napětí. Přístroje ferromagnetické (elektromagnetické) mají výchylku ručky úměrnou efektivní hodnotě a stupnice je tak cejchována. lumeni ručky je vzduchové. Elektromagnetické přístroje jsou výrobně jednodušší než přístroje magnetoelektrické. Většinou jsou však méně citlivé. Napětí zdroje umožňuje používat transformované síťové napětí, které lze také jednocestně a dvoucestně usměrnit. Aby se alespoň částečně vyloučilo kolísání napětí a zkresleni průběhu, měřte vždy vícekrát a pro další vyhodnocováni použijte aritmetický průměr z naměřených hodnot. Efektivní ( ef ) a střední ( s ) hodnota napětí je definována ef 1 u t) dt ( a s 1 u( t) dt (1) 1. Harmonický průběh V této úloze se setkáte pouze s harmonickým průběhem signálu, který je popsán následujícím vztahem u( t) sin(π, () kde je amplituda napětí signálu a f je jeho frekvence. Vztahy pro výpočet efektivní a střední hodnoty harmonického signálu jsou ef 77, a s. (3) Pro ilustraci si tyto vztahy odvodíme na základě rovnic (1) a (). Efektivní hodnota napětí harmonického průběhu je ef 1 ( ) u t dt π sin ( 1 sin(4πft) 1 πft) 1 πf 4 + (πft) dt [( 1 1 ) ( 1 sin(π ) + π sin() + ) ] 4 4 (4) Střední hodnota napětí harmonického průběhu je s 1 u( t) dt sin(πft) dt π ( cos(π ) + cos() ) 1 cos(πft) πf (5) ext 6/7 17-1

3 harm.ep 1: ef 5 V u / V s V t / ms Obr.1: Ideální harmonický průběh amplitudy 35 V a frekvence f 5 Hz. Jednocestné ideální usměrnění harmonického průběhu Po jednocestném usměrnění harmonického signálu lze tento průběh popsat sledujícím vztahem u( t) sin(π pro sin( π > (6) u ( t) pro sin( π < 4 3 usm1.ep 8: u / V 1 ef 17,5 V s 11, V Obr.: Jednocestný usměrňovač t / ms Obr.3: Ideální jednocestné usměrnění harmonického průběhu amplitudy 35 V a frekvence f 5 Hz Vztahy pro výpočet efektivní a střední hodnoty harmonického signálu jsou ef a s (7) π ext 6/

4 yto vztahy pro ef a s však neplatí pro všechny použité voltmetry. Nezapomeňte, že magnetoelektrický voltmetr s usměrňovačem reaguje na střední hodnotu vstupního napětí, ale stupnice ukazuje efektivní hodnotu. ento převod mezi střední a efektivní hodnotou dává správný výsledek pouze u napětí harmonického průběhu. 3. Dvoucestné ideální usměrnění harmonického průběhu Harmonický signál po dvoucestném usměrnění je popsán vztahem u( t) sin(π. (8) Vztahy pro výpočet efektivní a střední hodnoty harmonického signálu jsou ef a s. (9) π usm.ep 8: u / V 3 1 ef 5V s.3v Obr.4: Dvoucestný usměrňovač t / ms Obr.5: Ideální dvoucestné usměrnění harmonického průběhu amplitudy 35 V a frekvence f 5 Hz ext 6/

5 Úkol Zobrazte na osciloskopu a změřte (užitím všech přiložených voltmetrů) zadané hodnoty napětí, a to neusměrněné a jednocestně a dvoucestně usměrněné. Postup při měření, zpracování a vyhodnocení 1. Seznamte se s osciloskopem a s funkcemi jeho ovládacích prvků.. K vstupním svorkám transformátoru (svorka 5 V a svorka 3 V) připojte osciloskop. Zobrazte na osciloskopu průběh střídavého napětí a odečtěte z obrazovky velikost amplitudy. Z této hodnoty vypočítejte odpovídající ef. Dále ke stejným vstupním svorkám transformátoru připojte paralelně všechny vhodné voltmetry, změřte ef a porovnejte naměřené hodnoty s hodnotou vypočtenou. Poznámka: Výstupní svorky transformátoru jsou tři: V, 5 V a 3 V. Avšak odebírat budeme pouze napětí 5 V (svorky 5 V a 3 V). 3. Zobrazte na osciloskopu průběh jednocestně usměrněného napětí, odečtěte z obrazovky velikost amplitudy a vypočítejte hodnoty ef a s pro odpovídající zapojení. ext 6/

6 Voltmetry zapojte paralelně, změřte ef a s, a porovnejte naměřené hodnoty s vypočtenými. 4. Stejný postup jako v bodě číslo 3 proveďte pro dvoucestně usměrněné napětí. 5. kazuje-li magnetoelektrický přístroj s usměrňovačem jinou hodnotu ef než hodnotu vypočtenou, pokuste se zdůvodnit, proč tomu tak je. Odvoďte vztah mezi ef a pro tento případ. 6. Z třídy přesnosti přístrojů určete chyby měření. 7. Z hodnot jednotlivých měření vypočtěte a chybu δ( ). 8. Všechny naměřené a vypočítané hodnoty přehledně uveďte v tabulce a porovnejte pro různé průběhy napětí.. Značky měřicích soustav ext 6/

7 ext 6/