MERACIE PREVODNÍKY ELEKTRICKÝCH VELIČÍN

1. MERACIE PREVODNÍKY • ELEKTRICKÝCH VELIČÍN Meracie prevodníky elektrických veličín patria medzi technické prostriedky tvoriace pomocné zariadenia meracích prístrojov a systémov. Meracím prevodníkom budeme nazývať také zariadenie, ktoré slúži na prevod meranej veličiny na inú hodnotu tej istej veličiny podľa určitej zákonitosti a jeho presnosť (metrologické vlastnosti) je špecifikovaná. Základné analógové meracie prevodníky: • Pasívne meracie prevodníky • bočník, Hallova sonda, predradník a delič napätia, • meracie transformátory prúdu a napätia, • pasívny usmerňovač. • Aktívne meracie prevodníky • meracie zosilňovače, • aktívne usmerňovače, • prevodníky pre meranie súčtu a násobenia elektrických veličín, • ostatné aktívne prevodníky. 1

2. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Obr.3.1a Bočník 200 A 3.1 Pasívne meracie prevodníky Bočník Bočníkom nazývame rezistor vložený do obvodu meraného prúdu. Na základe Ohmovho zákona je úbytok napätia na ňom úmerný veľkosti tohto prúdu a bočník je teda jednoduchým meracím prevodníkom (pasívnym, lineárnym) prúdu na napätie. Úbytok napätia na bočníku je malý – niekoľko desiatok mV. Bočník sa používa pre zväčšenie rozsahu magnetoelektrického ampérmetra pri jednosmernom prúde. Väčšinou do prúdov 10 A  sú bočníky súčasťou magnetoelektrického prístroja. Pre meranie vyšších prúdov sa používajú bočníky oddelené, ktorých úbytok napätia je normalizovaný na 60 mV. 2

3. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Ak máme ampérmetrom s rozsahom IA merať prúd, ktorého hodnota môže byť až I, musíme k ampérmetru pripojiť bočník (obr.3.1b) s odporom kde RA je vnútorný odpor ampérmetra, Rb je odpor bočníka. I Ib Rb IA RA A • Obr.3.1b Schéma zapojeniabočníka k ampérmetru Oddelené bočníky majú vždy dva páry svoriek (napäťové a prúdové). Napäťové svorky podstatne znižujú vplyv prechodových odporov prívodných svoriek. 3

4. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Za predpokladu veľkého zosilnenia použitého zosilňovača platí pre meraný prúd v ustálenom stave Ix = N.I2 a teda kde N je počet závitov cievky prevodníka. Hallova sonda – bezkontaktný prevodník pre meranie js/st prúdu Používa sa hlavne pre meranie veľkých prúdov v kliešťových ampérmetroch a wattmetroch. Keďže sa jedná o bezkontaktné meranie el. prúdu, výhodou použitia Hallovej sondy v kliešťových prístrojov oproti kontaktnému meraniu je v odstránení nadmerného oteplenia a potreby rozpojenia elektrického obvodu. Aby bol kompenzovaný vplyv vonkajšieho magnetického poľa, používajú sa vždy dve symetricky umiestnené Hallove sondy. Na princípe Hallovej sondy pracujú i tzv. spätnoväzobné prúdové sondy k osciloskopom, ktoré využívajú Hallov generátor. Tieto sondy dokážu merať tak jednosmerné ako aj striedavé prúdy od 0 do 100 KHz. K zväčšeniu frekvenčného pásma (od nuly do stoviek MHz) sa tieto prúdové sondy doplňujú o merací transformátor prúdu. 4

5. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Predradník sa používa pre zväčšenie napäťového rozsahu elektromechanického voltmetra a wattmetra. Ak máme voltmetrom s rozsahom UV merať napätie, ktorého hodnota môže byť až U, musíme k voltmetru pripojiť predradník s odporom kde RV je vnútorný odpor voltmetra U RV Rp UV V Predradník a delič napätia Predradník a delič napätia sú jednoduchými meracími prevodníkmi, ktoré transformujú merané jednosmerné napätie na výstupný prúd, alebo napätie. Ak majú predradníky, alebo deliče pracovať nielen pri jednosmernom napätí, ale aj v určitom frekvenčnom pásme, je potrebné ich správne vykompenzovať, pretože by sa u nich prejavili nežiadúce indukčnosti a kapacity. Pomocou deličov napätia sa dá dosiahnuť zvýšenie napäťových rozsahov aj u číslicových voltmetrov. Pri napätiach bez jednosmernej zložky sa dajú použiť aj kapacitné alebo induktívne deliče napätia.Odporové deliče napätia sa používajú pri meraní vysokých jednosmerných napätí. 5

6. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín MTP Prevod MTP je daný pomerom menovitého primárneho prúdu I1N k jeho menovitému sekundárnemu prúdu I2N Meracie transformátory prúdu Meracie transformátory prúdu (MTP) sa používajú k zmene rozsahu ampérmetrov a prúdových cievok wattmetrov v obvodoch striedavého prúdu. Primárne vinutie sa zaraďuje do obvodu sériovo. Pretože má malý počet závitov, vzniká v ňom malý úbytok napätia, takže prúd v obvode je jeho pripojením veľmi málo ovplyvnený. Ampérmeter sa pripojí na sekundárnu stranu transformátora. Nominálna hodnota prúdu na sekundárnej strane býva spravidla 5 A vo výnimočných prípadoch 1A, napr. Ki = (100 / 5) A. 6

7. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Pri používaní meracích transformátorov prúdu sa nesmie rozpojiť sekundárny obvod, pokiaľ je zapojený primárny obvod. Ak sa preruší sekundárny obvod pri zapojenom primárnom, je jadro magnetizované celým primárnym prúdom a sekundárnom vinutí sa indukuje vysoké napätie. Jeho hodnota je nebezpečná tak pre izoláciu vinutia, ako aj pre človeka. Preto, ak chceme rozpojiť sekundárny obvod pri zapojenom primári, treba spojiť sekundár nakrátko pomocou skratovacej spojky. 7

8. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín MTP • Schematická značka • Schematické zapojenie meracích prístrojov k sekundárnemu vinutiu meracieho transformátora 8

9. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín MTN Prevod MTN je daný pomerom menovitého primárneho napätia U1N k jeho menovitému sekundárnemu napätiu U2N Primárne svorky meracieho transformátora napätia sa označujú veľkými písmenami M-N a zodpovedajúce sekundárne malými písmenami m-n. Meracie transformátory napätia Meracie transformátory napätia (MTN) sa používajú k zmene rozsahu voltmetrov a napäťových cievok wattmetrov v obvodoch striedavého prúdu. Primárne vinutie sa zaraďuje do obvodu paralelne. 9

10. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Pri práci sa treba vyvarovať skratu na sekundárnych svorkách. Meracie transformátory napätia sa používajú najmä na meranie vysokých napätí (od 500 V). Pri meraní zároveň slúžia aj na oddelenie meracích obvodov s prístrojmi od vysokonapäťového obvodu. Kvôli bezpečnosti sa vždy jeden pól sekundárneho vinutia uzemňuje, aby ani pri poruche izolácie transformátora nepreniklo vysoké napätie do meracieho obvodu. 10

11. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Pasívne meracie usmerňovače Pasívne usmerňovače používajú diódy a rezistory alebo diódy a transformátor pre jednocestné alebo dvojcestné usmerňovanie striedavých napätí alebo prúdov. Dvojcestný usmerňovač je najčastejšie zapojený ako tzv. Graetzov mostík. Ak sa zamení niektorá z dvojíc susedných diód rezistormi, vznikne tzv. polovičný mostík. Ide opäť o dvojcestný usmerňovač, ktorý oproti úplnému mostíku má menšiu citlivosť, ale lepšiu linearitu. Kvôli nelinearite voltampérovej charakteristiky diód nie je možné s využitím pasívnych usmerňovačov merať napätie v milivoltovej oblasti. 11

12. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Použitie prístrojov s usmerňovačmi (magnetoelektrických alebo elektronických) v obvodoch s neharmonickými prúdmi je nevhodné a môže viesť k veľkým chybám. Ak je usmerňovač zabudovaný v prístroji (magnetoelektrické prístroje s usmerňovačom, väčšina analógových nf elektronických voltmetrov, rad číslicových multimetrov), je údaj tohto prístroja 1,11.Us, takže pre harmonické priebehy je údaj rovný efektívnej hodnote. Pri použití pre neharmonické priebehy môže dôjsť ku značnej chybe, pokiaľ je tento údaj nesprávne chápaný ako efektívna hodnota. Našťastie väčšina dnes vyrábaných laboratórnych číslicových voltmetrov používa pre meranie striedavých napätí prevodníky (skutočnej – angl. TRUE RMS) efektívnej hodnoty na jednosmerné napätie, ktoré merajú efektívne hodnoty aj pre neharmonické napätia. Avšak niektoré servisné číslicové multimetre ešte doteraz používajú prevodníky strednej hodnoty na jednosmerné napätie. 12

13. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín 3.2 Aktívne meracie prevodníky Meracie zosilňovače Merané napätia a prúdy sú často príliš malé na to, aby boli merateľné bežnými prístrojmi. V tom prípade je ich nutné zosilniť. Meracie zosilňovače používajú operačné zosilňovače v obvodoch s uzavretou spätnou väzbou. Podľa spôsobu zapojenia spätnoväzobného obvodu zosilňujú napätie alebo prúd, prípadne menia napätie na prúd alebo prúd na napätie. Výstupný výkon zosilňovača je hradený z napájacích zdrojov zosilňovača. • Kladené požiadavky: • minimálne ovplyvňovať meraný signál (napätie by malo byť zosilňované zosilňovačom s maximálnym vstupným odporom, prúd obvodom s minimálnym vstupným odporom), • čo najpresnejšie známe zosilnenia, • malá dynamická chyba, • ich výstupný signál by sa mal meniť čo najmenej v dôsledku pripojenia meracích prístrojov k ich výstupu. 13

14. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Zosilňovač sa podľa zapojenia spätnej väzby chová ako zdroj napätia alebo prúdu, riadený napätím alebo prúdom. Existujú teda štyri základné typy meracích zosilňovačov: prednáška 14

15. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Dvojcestný presný usmerňovač používa U/ I zosilňovač a v jeho spätnej väzbe je dvojcestný pasívny usmerňovač. Prevodová charakteristika je prakticky lineárna, pretože sa obvod voči usmerňovaču správa ako zdroj prúdu. Aktívne meracie usmerňovače Zapojením pasívneho usmerňovača do spätnej väzby operačného zosilňovača je možné dosiahnuť prakticky dokonalú lineárnu charakteristiku usmerňovača. Tietousmerňovače(nazývané aktívne usmerňovače alebo presné usmerňovače) sa používajú pre meranie striedavých napätí v milivoltovej oblasti a sú použité v analógových elektronických nízkofrekvenčných voltmetroch a rade číslicových multimetroch. 15

16. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín V súčasnosti sa používajú aktívne sčítacie obvody, ktoré používajú operačné zosilňovače Prevodníky pre meranie súčtu a násobenia elektrických veličín Sčítať aktívne elektrické veličiny(napätia, prúdy, výkony, spotreby energie) je možné analógovo alebo číslicovo. Pre číslicové sčítanie sa sčítané veličiny najprv prevedú na napätia, tieto sa postupne prevedú na čísla analógovo-číslicovým prevodníkom a sčítajú sa pomocou mikropočítača. Pokiaľ vyhovuje presnosť rádu 1 %, je možné použiť analógové sčítacie metódy. 16

17. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín Tieto obvody sa nazývajú taktiež TDM (z angl. time division multiplier) a vo wattmetroch sa používajú ako prevodník strednej hodnoty súčinu na jednosmerné napätie Uo podľa vzťahu Násobenie je v meraní dôležité najmä preto, že elektrický činný výkon je definovaný ako súčin napätia a prúdu. Obvody nazývané ako násobičky sa preto často požívajú v elektronických wattmetroch. Najčastejšie sa v elektronických wattmetroch používa tzv. násobička s amplitúdovo-šírkovou moduláciou, pretože má vynikajúcu statickú presnosť (chyby 0,01 až 0,1 % rozsahu). V tomto režime je frekvenčné pásmo vstupných napätí od nuly až do 10 kHz pre chybu wattmetra 0,1 % rozsahu. Násobička využíva periodický pravouhlý impulz s konštantnou periódou T, ktorej činiteľ plnenia závisí na vstupnom napätí u1(t) a výška impulzu je úmerná vstupnému napätiu u2(t). 17

18. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín ŠM - šírkový modulátor, AM - amplitúdový modulátor,  DP - dolnofrekvenčná priepusť) Jednosmerná zložka výstupného napätia sa potom určí Šírkový modulátor ŠM mení činiteľ plnenia podľa vzťahu takže jednosmerná zložka výstupného napätia je napokon rovná 18

19. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín • Výpočtové prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty používajú pre nájdenie efektívnej hodnoty analógový výpočet podľa matematickej definície • Tepelné prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty využívajú fyzikálnu definíciu efektívnej hodnoty a niektorého teplotne citlivého prvku pre samočinné porovnávanie tepelných účinkov meraného striedavého napätia (alebo prúdu) a výstupného napätia (alebo prúdu) prevodníka. Veľmi často sa používajú u niekoľko presných číslicových multimetroch. Ostatné prevodníky elektrických veličín Prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty na jednosmerné napätie (TRUE RMS converter): 19

20. 3. Meracie prevodníky elektrických veličín D ud u ud U1m u1(t) RC C u1(t) RZ t a) b) Prevodníky maximálnej hodnoty na jednosmerné napätie: Jednosmerná zložka výstupného napätia Ud je približne rovná maximálnej hodnoty vstupného napätia U1m 20