EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 15. Měření elektrických veličin

Transkript

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

2 ÚVOD DO MĚŘENÍ ELEKTICKÝCH 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

3 MĚŘENÍ NAPĚTÍ - 1 Senzory generující napětí - zdroje napětí: Termočlánky, tachodynama, rychlostní průtokoměry, anemometry, průmyslové měřiče tepla, alfametry a další. PŘÍMÁ METODA MĚŘENÍ NAPĚTÍ Náhradní schéma 0 [V] i [W] V Zatěžovací charakteristika napětí zdroje - je funkcí měřené veličiny vnitřní odpor zdroje napětí - senzoru Svorkové napětí [V] I S 0 Proud v obvodu [A] I Skutečné napětí [V] 0 0 i 1 Digitální voltmetry mají velký vnitřní odpor V - nezatěžují zdroj. i S i i 3

4 MĚŘENÍ NAPĚTÍ - 2 VOLTMETY PO PŘÍMÁ MĚŘENÍ mají mít velký vnitřní odpor v 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 ÚPAVY NAPĚTÍ na požadovanou úroveň napětí pro možnost připojení k dalším přístrojům či regulačním obvodům. Úprava nízkého napětí zesílením: (viz další kapitoly) Úprava vysokého napětí 1 odporovým děličem napětí: Výstupní napětí 2 [V] se určí z napětí 1 [V] a odporů 1, 2 [W] Odporový dělič napětí Pozn.: 2 lze chápat i jako vnitřní odpor voltmetru napojeného do série s předřadným odporem 1. 4

5 MĚŘENÍ NAPĚTÍ - 3 SMĚNĚNÍ STŘÍDAVÉHO NAPĚTÍ pro možnost dalšího zpracování ve stejnosměrných obvodech Měření střídavého napětí voltmetrem s analogovým výstupem Obvody s diodami D a kondenzátorem C. Jednocestný usměrňovač Můstkový usměrňovač 5

6 MĚŘENÍ POD - 1 SENZOY GENEJÍCÍ POD - 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 POD Měřený proud [A] S I I K Svorkové napětí [V] i S I Náhradní schéma Zatěžovací charakteristika I K [A] proud generovaný zdrojem - senzorem i [W] vnitřní odpor zdroje - senzoru Skutečný proud [A] I K I 1 i 6

7 MĚŘENÍ POD - 2 AMPÉMETY PO PŘÍMÁ MĚŘENÍ musí mít malý vnitřní odpor v 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) ÚPAVY POD pro možnost připojení k dalším přístrojům... Úprava malého proudu zesílením: (viz další kapitoly) Úprava velkého proudu I 1 odporovým děličem proudu: Výstupní proud I 2 [A] se určí z proudu I 1 [V] a odporů 1, 2 [W] 1 I2 I1 1 2 Odporový dělič proudu Pozn.: 2 lze chápat i jako vnitřní odpor ampérmetru zapojeného paralelně s bočníkem 1 (používají se pro stejnosměrné proudy). 7

8 MĚŘENÍ ODPO, KAPACITY A INDKČNOSTI - 1 ODPO [W] ohm KAPACITA C [F] farad obecně způsobují IMPEDANCI Z [W] INDKČNOST L [H] henry 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

9 MĚŘENÍ ODPO, KAPACITY A INDKČNOSTI - 2 VÝCHYLKOVÉ METODY MĚŘENÍ MĚŘENÍ ODPO X [W] Impedance Z = X [W] Obvod se napájí stejnosměrným napětím u = [V] a platí Ampérmetr musí mít X malý odpor a voltmetr I velký odpor. MĚŘENÍ KAPACITY C X [F] Impedance Z = 1/(w.C X ) [W] Napájení střídavým napětím u = m sin w. a platí MĚŘENÍ INDKČNOSTI L X [H] Impedance Z = L + j.w.l X [W] Napájení střídavým napětím u = m sin w.. Platí I C X w L X 1 w I 2 2 L cívky, viz měření odporu 2 L 9

10 MĚŘENÍ ODPO, KAPACITY A INDKČNOSTI - 3 MŮSTKOVÉ METODY MĚŘENÍ AB je napájecí diagonála CD je měřicí diagonála Pro vyvážený můstek u CD = 0 platí: Z1 Z4 Z2 Z3 MĚŘENÍ ODPO pomocí Wheatstoneova můstku Obvod je napájen stejnosměrným napětím Impedance Z 1 až Z 4 jsou nahrazeny odpory X, 2, 3, 4. Neznámý odpor X [W] se vypočte ze vztahu: X

11 MĚŘENÍ ODPO, KAPACITY A INDKČNOSTI - 4 POŽÍVANÉ TYPY MŮSTKŮ MĚŘENÁ VELIČINA C X C X 4 3 L X C 4 TYP MŮSTK (NAPÁJENÍ) Wheatstoneův (stejnosměrný) Scheringův (střídavý) Maxwellův - Wienův (střídavý) Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 X CX C 4 3 C 3 X L X C 4 Odpor cívky L = X [W] se stanoví metodou měření odporu 11

12 MĚŘENÍ FEKVENCE - 1 TYPY FEKVENČNÍCH SIGNÁLŮ Periodické průběhy - sinusové, pulzní i obecné signály Neperiodické průběhy - pulzní aj. ÚPAVA SIGNÁLŮ PŘED MĚŘENÍM Úprava amplitudy (zesilovače, děliče) Filtrace nežádoucích frekvencí FEKVENČNÍ SNÍMAČE: Elektrické impulsní otáčkoměry, snímače vibrací, hluku apod. SNÍMAČE S NEPEIODICKÝMI PLZY: Geigerovy - Müllerovy počítače, scintilační a polovodičové detektory záření, načítací čidla PINCIPY MĚŘENÍ FEKVENCE 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 C 2 12

13 MĚŘENÍ FEKVENCE - 2 PŘÍSTOJE PO MĚŘENÍ FEKVENCE 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. učkové 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. niverzální čítače (digitální kmitoměry pro f = 0-50 MHz) - Načítají i neperiodické pulzy po zvolenou dobu. elativní nejistota je až Osciloskopy - Měřená frekvence se porovnává s frekvencí buzenou osciloskopem. Při stejné či harmonické frekvenci lze pozorovat statické obrazce. Můstky - Wienův - obinsonův můstek, Belfilsův můstek. f 13