Nachádzate sa tu
Kapitola 3
3. Elektromechanické meracie prístroje
Elektromechanické meracie prístroje sú analógové, ktoré prevádzajú meranú veličinu na údaj ukazovateľa. Výchylka je úmerná meranej veličine a jej zmena je spojitá. Sú konštruované na princípe využitia vzniku mechanického momentu pôsobením magnetických resp. elektrických polí. Energia na vytvorenie výchylky sa získava z meraného objektu, čo je na jednej strane výhoda pretože prístroj nepotrebuje prídavný zdroj, no na druhej strane zaťažuje meraný objekt. Sú konštrukčné jednoduché a spoľahlivé. Nevýhodou je však nižšia presnosť (hlavne na začiatku stupnice), pomalosť a pri niektorých systémoch úzke frekvenčné pásmo a nezanedbateľný vnútorný odpor.
3.1Analógové meranie prúdu a napätia elektromechanickými prístrojmi :
Pri analógovom meraní jednosmerných veličín voľba vhodného meracieho prístroja závisí, od požadovanej presnosti merania, od možnosti zaťaženia meraného objektu, od veľkosti meranej veličiny, od úrovne a povahy rušenia, od dostupnosti meracieho prístroja a od ďalších faktorov špecifických pre dané meranie. Pri výbere optimálneho prístroja na meranie konkrétneho striedavého napätia alebo prúdu s harmonickým časovým priebehom, je potrebné okrem hľadísk uplatňovaných pri výbere jednosmerného prístroja vziať do úvahy aj ďalšie skutočnosti. Pred meraním musíme vedieť, ktorú z definovaných hodnôt striedavých veličín chceme merať – efektívnu, strednú alebo maximálnu. Ak to nie je na prístroji zvlášť vyznačené, znamená to, že meria efektívnu hodnotu. Meracie prístroje bývajú štandardne kalibrované na efektívnu hodnotu. Na meranie striedavých harmonických priebehov môžeme napríklad použiť magnetoelektrický prístroj s usmerňovačom. Problém však nastane, ak budeme chcieť použiť magnetoelektrický prístroj s usmerňovačom na meranie neharmonických priebehov.Na meranie neharmonických priebehov môžeme napríklad použiť magnetoelektrický prístroj s termočlánkom, ktorý ma oproti magnetoelektrickému prístroju s usmerňovačom prednosť v tom, že meria efektívnu hodnotu bez ohľadu na to, či je meraná veličina harmonická alebo neharmonická. Pravú efektívnu hodnotu (true RMS) nám ukazujú aj feromagnetické (elektromagnetické) meracie prístroje. Pre svoju frekvenčnú závislosť však nie sú veľmi vhodné pre meranie neharmonických priebehov. Feromagnetické prístroje (s otočným jadrom) majú pomerne dobrú preťažiteľnosť a to po elektrickej ako aj mechanickej stránke, určené sú hlavne pre „hrubé“ merania. U obvyklých meracích prístrojov (analógových i číslicových) platí indikácia efektívnej hodnoty len pre sínusové priebehy napätia alebo prúdu. Aby sme mohli efektívnu hodnotu („pravú efektívnu hodnotu“, true RMS) indikovať správne, musí merací prístroj analógovými alebo digitálnymi prostriedkami realizovať zodpovedajúci matematický vzťah. Takéto meranie nám zabezpečí iba merací prístroj, ktorý je schopný merať veličiny v požadovanom rozsahu napätia alebo prúdu a v požadovanom frekvenčnom rozsahu podľa vzťahov:
3.2 Značky a symboli na meracívh prístrojoch
Všetky charakteristické vlastnosti meracieho prístroja musia byť vyznačené na stupnici pomocou značiek určených normou. Sú to obvykle tieto údaje: značka výrobcu, jednotka meranej veličiny, výrobné číslo, značka správnej polohy stupnice pri meraní, značka meracieho systému, druh prúdu, trieda presnosti, skúšobné napätie. nominálne hodnoty meracích rozsahov, značka príslušenstva alebo iných oddelených častí rôzne upozornenia pri použití prístroja a pod.
Značka |
Systém |
Použitie |
|
|
Magnetoelektrický |
voltmetre, ampérmetre na jednosmerný prúd |
|
|
Magnetoelektrický s usmerňovačom |
voltmetre, ampérmetre na » prúd |
|
|
Feromagnetický |
voltmetre, ampérmetre na » i = prúd |
|
|
Elektrodynamický |
wattmetre |
|
|
Elektrodynamický tienený |
wattmetre |
|
|
Ferodynamický |
wattmetre |
|
|
Rezonančný (vibračný) |
frekventomery |
|
|
Indukčný |
elektromery |
|
|
Prístroj s otočným magnetom |
|
Pomerový ferodynamický prístroj |
|
|
Pomerový prístroj s otočným magnetom |
|
Neizolovaný termoelektrický článok |
|
|
Pomerový elektrodynamicky prístroj |
|
Izolovaný termoelektrický článok |
|
|
Pomerový feromagneticky prístroj |
|
Magnetické tienenie |
|
|
Pomerový indukčný prístroj |
|
Elektrostatické tienenie |
3.3 Časti prístroja
a)Merací systém: Má pevnú a pohyblivú časť, ktorá sa najčastejšie vykonáva otočný pohyb. Využíva sa silové pôsobenie elektrických veličín, meraná veličina vytvorí moment systému, ktorý otáča pohyblivou časťou, na ktorej je upevnená ručička. Moment systému závisí vždy od meranej veličiny, ale pre rôzne meracie systémy sa vypočíta inak. Proti momentu systému pôsobí direktívny (riadiaci) moment, ktorý vytvárajú direktívne pružiny. Často slúžia aj na prívod prúdu do otočnej časti. Ak sa obidva momenty rovnajú, ručička ukazuje výchylku, ktorá je úmerná veľkosti meranej veličiny. Ak je meraná veličina nulová, direktívne pružiny zabezpečujú nulovú polohu ručičky. Podľa princípu, na ktorom je založený merací systém rozlišujeme meracie prístroje s rôznymi meracími systémami na: magnetoelektrické, elektrodynamické, ferodynamické, feromagnetické, indukčné, elektrostatické, vibračné, tepelné.
b) Zobrazovacie (indikačné) zariadenie:Je to zariadenie na odčítanie hodnoty meranej veličiny. Umožňuje určiť veľkosť meranej veličiny.
Má dve časti:
a) ukazovateľ, indikuje polohu pohyblivej časti meracieho systému, najčastejšie to je ručička
b) číselník, usporiadaný súbor značiek spolu s priradeným číslovaním, ktorý tvorí časť zobrazovacieho zariadenia prístroja, je na ňom zobrazená stupnica a značky, ktoré udávajú:
- druh prístroja napr. A, V, W, Ω, Hz ...
- vnútorný odpor prístroja napr. 5000 Ω/V, 60V - 2000Ω
- merací systém (značky sú uvedené vyššie pri názve systému)
Zisťovanie hodnoty meranej veličiny analógovým prístrojom:
- počkáme, kým sa ručička ustáli
- odčítame výchylku (pozeráme sa kolmo) v dielikoch vrátane ich zlomkov
- vynásobíme výchylku konštantou
Výchylku ukazovateľa analógového meracieho prístroja je možné odčítať s presnosťou maximálne asi 0,1 %.
- pracovná poloha napr. zvislá ┴,vodorovná , šikmá <
3.4 Magnoelektrické prístroje
Princíp systému je založený na silovom pôsobení magnetického poľa na vodič, ktorým tečie elektrický prúd. V skutočnosti je týmto vodičom cievka, ktorá je otočne uložená medzi pólmi permanentného magnetu. Cievkou tečie meraný prúd, ktorý sa do cievky privádza direktívnymi pružinami. Oska cievky je pevne spojená s ručičkou prístroja. Výchylka závisí priamoúmerne od meraného prúdu. Magnetoelektrické prístroje merajú strednú hodnotu veličiny. Systém nie je možné použiť na meranie striedavých veličín, pretože výchylka je úmerná strednej hodnote veličiny za jednu periódu a bola by nulová. Presnosť magnetoelektrických prístrojov je vysoká a vyrábajú sa v najvyšších triedach presnosti 0,1 a 0,2. Magnetoelektrické prístroje nemajú veľkú preťažiteľnosť.
Vlastnosti prístrojov s magnetoelektrickým systémom: používa sa na meranie jednosmerného prúdu a napätia, meria strednú hodnotu, lineárna stupnica, vysoká citlivosť a presnosť, malý vplyv cudzích magnetických polí (silný permanentný magnet), malá preťažiteľnosť, malá spotreba, citlivosť na mechanické otrasy, široké meracie rozsahy.
Obr. 3.1. magnetoelektrický prístroj a) konštrukčné usporiadane, b) silové pôsobenie na závit
PM- permanentný magnet, PN- pólové nadstavce, R- ručička, J- jadro, N- nosník z neferomagnetického materiálu, C- cievka, VZ- vyvažovacie závažia, MB– magnetický bočník
3.5 Magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom
Výhodnou vlastnosťou magnetoelektrických prístrojov je ich malá spotreba. Preto sa magnetoelektrické prístroje konštruujú s usmerňovačom pre meranie striedavých veličín. V súčasnosti sa používajú rôzne typy polovodičových usmerňovačov. Ako magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom sú konštruované mikroampérmetre, miliampérmetre, ampérmetre, voltmetre, i univerzálne meracie prístroje.
Obr. 3.2. Dvojcestné zapojenie usmerňovača
a- mostíkové, b- polomostíkové
3.6 Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom
Druhú možnosť merania striedavých veličín pomocou magnetoelektrického systému poskytuje jeho spojenie s termoelektrickým článkom (termočlánkom). Pri tejto kombinácii dochádza k premene striedavého prúdu na jednosmerné termoelektrické napätie. Termoelektrický článok vznikne spojením (zvar, spájkovanie) dvoch vodičov z rôznych kovov, ktoré majú rôznu výstupnú pracú elektrónov do referenčného okolia (ovzdušia). Ak spoj zohrejeme na teplotu T a druhé konce vodičov ostanú ,,studené“ (na teplote okolia T0), potom medzi týmito koncami vznikne tzv. termoelektrické napätie, ktorého veľkosť bude približné úmerná rozdielu oboch teplôt.
Ut=kt(T-T0)=Kt.▲T Kde kt je konštanta závislá od oboch materiálov.
Ak na ohrev teplého spoja použijeme meraný striedavý prúd, je oteplenie funkciou jeho efektívnej hodnoty. Potom i termoelektrické napätie a aj výchylka magnetoelektrickeho pristroja je úmerná kvadrátu efektívnej hodnoty meraného prúdu.Magnetoelektricky pristroj s termočlánkom merania i udáva efektívnu hodnotu meranej veličiny. Údaj pristroja je v širokom rozsahu nezávislý od tvaru krivky prúdu a od frekvencie. Možno ním merať prúdy o kmitočte radovo 106 až 108 Hz.Termočlánky určené pre meracie prístroje môžu byt so stykom priamym obr a, keď je termočlánok galvanicky spojený s obvodom meraného prúdu. Odovzdávanie tepla je veľmi účinné, pristroj je citlivý. Tento spôsob je vhodnejší pre meranie malých prúdov.
Obr. 3.3. Termočlánky
a - s priamym stykom
b – s nepriamym stykom
Pri nepriamom styku obr. b je spoj termočlánku zaliaty spolu s časťou výhrevného drôtu do sklenej perličky, číže obe časti sú navzájom galvanicky izolovane. Odovzdávanie tepla je menej dokonale, ale pristroj je bezpečnejší i pre meranie väčších prúdov. Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom sa vyrábajú ako ampérmetre v rozsahu od 1 mA do 10 A so vzduchovým chladením, so špeciálnymi chladiacimi rebrami až do 100 A. Bežne sa vyrábajú v triede presnosti 1,5 až 2,5, špeciálnou konštrukciou sa dá dosiahnuť trieda presnosti 0,5. Najčastejšie bývajú jednorozsahové. Voltmetre s termočlánkom sa vyrábajú s vlastným rozsahom od niekoľko desatín V do 1 V, pre vyššie rozsahy 1,2 až 500 V sú potrebné predradné ohmické odporníky pre zachovanie frekvenčnej nezávislosti. Magnetoelektrické prístroje s termočlánkom sú málo preťažiteľné a majú relatívne vysokú dobu ustálenia výchylky najmä pri nepriamom spojení. Najčastejšie sa používajú pri meraní neharmonických priebehov v regulačnej a impulznej technike i vo výkonovej elektronike.
3.7 Feromagnetické meracie prístroje
Princíp činnosti feromagnetického pristroja spočíva v silovom pôsobení magnetického poľa cievky, vytvoreného meraným prúdom, na feromagnetické teliesko (jadro). Konštrukčne je riešený ako systém s plochou cievkou, systém s valcovou cievkou a systém s obvodom z magneticky vodivého materiálu, v ktorom otočne uložený pliešok zmenšuje magnetický odpor obvodu.
Feromagnetický prístroj s plochou cievkou: Konštrukčné principiálne vyhotovenie prístroja s plochou cievkou s jedným feromagnetickým telieskom. Pliešok z magneticky mäkkého materiálu je vplyvom magnetického poľa cievky vťahovaný do úzkej medzery cievky. Pliešok musí byť excentricky upevnený na osičke.
Obr. 3.4. Feromagnetický prístroj s plochou cievkou a- konštrukčné usporiadanie, b- princíp činnosti, R- ručička, P- pliešok, ŠP- špirálová pružina, VZ- vyvažovacie závažia, RA- ramienko, V- valček, C- cievka, os- oska
Feromagnetický prístroj s kruhovou cievkou: Prístroj s kruhovou cievkou sa skladá z pevnej valcovej cievky, v jej vnútri sú dva feromagnetické pliešky, jeden je upevnený otočne na oske, druhý je pevný a môže pozostávať aj z viacerých častí
Obr. 3.5. Feromagnetický prístroj s valcovou cievkou
a- konštrukčné usporiadanie, b- vznik ťažnej sily plieškov
Vlastnosti a použitie feromagnetických prístrojov :Feromagnetické prístroje pracujú ako ampérmetre a voltmetre. Merajú jednosmerné a striedavé veličiny, používajú sa však prevažne na meranie striedavých veličín, pretože pri meraní jednosmerných veličín sa uplatňuje jednosmerná chyba. Jednosmerná chyba je spôsobená zvyškovým rermanentným magnetizmom plieška, spôsobeným predchádzajúcim meraním. Dá sa takmer úplne vylúčiť použitím vhodného materiálu plieškov s malou koercitívnou silou.Zmeny rozsahov ampérmetrov sa realizujú prepínaním počtu závitov cievky. Každý rozsah má samostatnú stupnicu. V presných prístrojoch možno zmenu rozsahu uskutočniť prepínaním sekcií cievky paralelne alebo do série (cievka sa skladá z niekoľkých navzájom elektricky i magneticky rovnocenných sekcií). Zväčšovanie rozsahov použitím bočníkov sa nepoužíva kvôli nehospodárnej kompenzácii.Zmeny rozsahov voltmetrov sa uskutočňujú predradenými rezistormi, môžu sa kombinovať s prepínaním odbočiek cievky. Feromagnetické prístroje majú najrozšírenejšie použitie ako rozvádzačové prístroje na meranie prúdu a napätia priemyselnej frekvencie 50 Hz. Použitím plieškov z vysokokvalitných materiálov sú používané aj ako laboratórne prístroje.
Obr. 3.6. Prepínanie rozsahov feromagnetického ampérmetra
a- odbočkami, b- prepínaním sekcií
3.8 Elektrodynamické meracie prístroje
Princíp činnosti elektrodynamických prístrojov spočíva v silovom pôsobení medzi pevnou a pohyblivou cievkou (cievkami pretekajú merané prúdy). Elektrodynamický prístroj pozostáva z pevnej cievky C1 a pohyblivej cievky C2. Pevná cievka je rozdelená na dve rovnaké časti, aby sa dosiahlo homogénne magnetické pole v mieste, kde sa pohybuje pohyblivá cievka. Prúd do pohyblivej cievky sa privádza špirálovými pružinami, ktoré vytvárajú direktívny moment.Tlmenie je vzduchové, ručička spolu s vyvažovacími závažiami je umiestnená na spoločnej oske. Elektrodynamické prístroje používame ako ampérmetre, voltmetre a wattmetre.
Obr. 3.7. Elektrodynamický prístroj
a- konštrukčné usporiadanie, b- silové pôsobenie
C1- pevná cievka, C2- pohyblivá cievka, VT- vzduchové tlmenie, R- ručička
3.9 Indukčné prístroje
Princíp činnosti indukčných prístrojov spočíva vo využití silových účinkov nepohyblivých striedavých magnetických polí na prúdy indukované týmito poľami vo vodivých pohyblivých neferomagnetických častiach. Rovnaké pôsobenie, aké vyvoláva striedavé pole, sa dá vyvolať otáčaním permanentného magnetu. Takýto princíp využívajú elektromechanické otáčkomery, ktoré zaraďujeme medzi indukčné prístroje. Prístroj vytvára silné vlastné magnetické pole, preto vplyv cudzích magnetických polí je nepatrný. Indukčné prístroje sa v súčasnosti používajú výhradne ako merače elektrickej energie.Rozdiel medzi prístrojmi s direktívnym momentom (ampérmeter, voltmeter, wattmeter) a elektromerom je iba v tom, že kotúč sa otáča a počet otáčok registruje počítadlo. Elektromery nemajú direktívny moment, proti momentu systému pôsobí brzdný moment Mb.
Obr. 3.8. Princíp indukčného prístroja s dvoma striedavými magnetickými tokmi
EM1,EM2 –elektromagnety, R- ručička, Š- direktívna špirála, PM- permanentný magnet, K- kotúč