Transcript Wykład 12
Wykład 12 Amperomierz i woltomierz magnetoelektryczny Woltomierz i amperomierz cyfrowy. Zakłócenia szeregowe i równoległe. Włączenie przyrządu do obwodu. Wpływ przyrządu na wielkość mierzoną . 1 ZASTOSOWANIE POZNANYCH PRZETWORNIKÓW DO POMIARU NAPIĘĆ I PRĄDÓW STAŁYCH. Przetworniki A/C- najczęściej 5V; 10V Przetworniki analogowe Magnetoelektryczny – bezpośrednio pomiar prądu od kilkudziesięciu A do kilkudziesięciu mA Elektromagnetyczny – kilkadziesiąt mA, klasa gorsza niż dla napięć zmiennych Elektrodynamiczny – kilkadziesiąt mA 2 Dostosowanie tych przetworników do pomiaru napięcia i prądu w szerokim zakresie wartości odbywa się za pomocą przetworników wartości i wielkości (wzmacniacze, dzielniki, rezystory) uzyskujemy woltomierze i amperomierze wielozakresowe. Parametry amperomierzy i woltomierzy: zasada działania, zakresy pomiarowe, błędy podstawowe i dodatkowe, rezystancja wewnętrzna, 3 Dostosowanie tych przetworników do pomiaru napięcia i prądu w szerokim zakresie wartości odbywa się za pomocą przetworników wartości i wielkości (wzmacniacze, dzielniki, rezystory) uzyskujemy woltomierze i amperomierze wielozakresowe. Parametry amperomierzy i woltomierzy: zasada działania, zakresy pomiarowe, błędy podstawowe i dodatkowe, rezystancja wewnętrzna, 4 Wielozakresowe amperomierze i woltomierze magnetoelektryczne Amperomierze budowane są bazie przetwornika (ustroju) magnetoelektrycznego poprzez zastosowanie oporników bocznikujących ustrój. IA Ip Ib Rp IA Ip + I p Rb - IpRp IbRb IAR A Ib Dla użytkownika nie istotna jest wartość Rb a wartość rezystancji wypadkowej na zaciskach amperomierza RA RA UA IA 5 Wielozakresowy amperomierz magnetoelektryczny Spadek napięcia na każdym zakresie inny 6 Wielozakresowy woltomierz magnetoelektryczny + R1 R2 U1 R3 U2 R4 U3 U4 Przetwornikiem prądu na napięcie opornik; warunkiem stałość tego opornika, niewrażliwość na zmianę warunków zewnętrznych- przede wszystkim temperaturę U1 R1 * I U4 I(R1 R2 R3 R 4) 7 Dla użytkownika nie istotna jest wartość R1, R2, R3, R4, a wartość rezystancji wypadkowej na zaciskach woltomierza RV Dla każdego zakresu RV inne; dla woltomierzy magnetoelektrycznych wielozakresowych podawana rezystancja charakterystyczna w /V Podać wynik pomiaru napięcia Ux woltomierzem magnetoelektrycznym R o zakresie 15V, 30działek,kl 0.5, rezystancji 1k/V, jeśli w układzie jak na rysunku woltomierz wskazał 25,75 działki. V R=150 8 Typowa struktura woltomierza elektronicznego 1 2 3 1 obwody wejściowe -zmiana zakresów dzielnik wejściowy, filtry 2 wzmacniacz 3 przetwornik wyjściowy (a/C; przyrząd analogowy 9 Błędy wprowadzane przez przetworniki pośredniczące Wpływ na dokładność wskazań tak skonstruowanych woltomierzy ma przede wszystkim wzmacniacz We wzmacniaczu stałoprądowym istotny jest dryft zera i zmiana wzmocnienia. Poprawa parametrów woltomierza (zmniejszenie wpływu parametrów wzmacniacza) lepsze wzmacniacze, możliwość regulacji zera, wzmocnienia (zmiana warunków pracy wzmacniacza). 10 Korekta „układowa” - zmiana warunków pracy wzmacniacza – dryf zera – usuwany regulując „zero” przy zwartych zaciskach przyrządu (na najniższym zakresie) korekta zmian wzmocnienia – procedura kalibracji- dołączenia na wejście wewnętrznego wzorca napięcia i regulacja wzmocnieniem do uzyskania wymaganych wskazań. 11 Korekta programowa możliwa w przyrządach cyfrowych. Jeśli przyrząd zaopatrzony w moduł obliczeniowy można uwolnić wynik pomiaru od zmian wynikających ze zmian parametrów wzmacniacza.( procedura autozerowania i auto - kalibracji). Procedura autozerowania Jeśli pojawia się dryf zera (U0) to przy zwartych zaciskach wejściowych na wyjściu U wyj1 U wyj1= K*U0 K wzmocnienie wzmacniacza 12 Zmierzyć napięcie wyjściowy przy zwartych zaciskach K U0 Uwyj1 Przy zwartych zaciskach wejściowych Uwyj=U1 powinno wynosić 0 Uwyj1= KU0 13 `2. po dołączeniu na wejście napięcia Ux Ux K U0 Uwyj2 Uwyj2 K(U0 Ux ) Ux Uwyj2 Uwyj1 K 14 POMIAR NAPIĘCIA ZAKŁÓCENIE WIELKOŚCI MIERZONEJ WŁĄCZENIEM PRZYRZĄDU Każdy obwód pomiarowy można przedstawić jako semną E przedstawiającą mierzone napięcie Ux oraz rezystancję Robw będącą rezystancją zastępczą obwodu na zaciskach pomiarowych. za Jeśli przyjmie się wartość Ux wskazaną przez woltomierz wartość mierzonego napięcia Ux popełnimy błąd systematyczny Usyst Jaka relacja Ux i UV 15 E=Ux Ux V Ux V URobw Robw UV UV= Ux - URobw Usyst Iv R obw Uv Usyst Usyst Ux R obw Rv R obw R obw R obw R v Rv Jeśli Usyst nie jest pomijalnie małe wynik należy poprawić R obw UV Ux Uv Iv R obw UV Uv 1 Rv 16 Oszacować Oszacować jaki błąd popełnimy przyjmując wskazania woltomierza o zakresie 9,999V ; błędzie podstawowym 0.05% wartości mierzonej 1znak rezystancji wewnętrznej Rv=10Mza wartość rzeczywistą napięcia Uab w obwodzie jak na rysunku b R1 Uab R1=R2=500k R2 a Jaka jest rezystancja zastępcza obwodu na zaciskach ab ? 17 Oszacować Oszacować jaki błąd popełnimy przyjmując wskazania woltomierza o zakresie 9,999V ; błędzie podstawowym 0.05% wartości mierzonej 1znak rezystancji wewnętrznej Rv=10Mza wartość rzeczywistą napięcia Uab w obwodzie jak na rysunku R1=R2=500k R1 b R2 Uab a Jaka jest rezystancja zastępcza obwodu na zaciskach ab ? 250000 R1 R 2 u 100 2,518% R obw 250k 10000000 R1 R 2 ZAKŁÓCENIA Z ZEWNĘTRZNYCH PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH O CZĘSTOTLIWOŚCI fz=50HZ (okres 20ms) tzw ZAKŁÓCENIA SZEREGOWE Do sygnału mierzonego może dodać się sygnał zakłócenia wynikający z pomiaru w zmiennym polu elektrycznym o częstotliwości 50Hz Uv = Ux + Uz sin ωz t z 2fz 19 Ważne rozróżnienie zasady działania przetwornika zastosowanego w przyrządzie. Jeśli Uzsinωzt -zakłóceniem to przyrząd powinien je eliminować. Eliminacja możliwa jeśli Przyrząd uśrednia z zasady pomiaru – przyrząd z przetwornikiem całkującym (pośrednim przetwornikiem A/C) o czasie pomiaru równym okresowi sygnału zakłócającego lub wielokrotności tego okresu (wartość średnia sygnału sinusoidalnego za okres wynosi zero), ma na wejściu filtr 20 Stopień tłumienia zakłóceń podawany często jako parametr Zmierzono napięcie u(t) woltomierzami cyfrowymi: U(t) 9,000V 0,080V sin 250t V 1 - woltomierz z całkującym przetwornikiem A/C V2 - woltomierz z bezpośrednim (kompensacyjnym) przetwornikiem. A/C Oba woltomierze miały ten sam zakres 9,999V ; błąd podstawowy 0.05% wartości mierzonej 0.01%pełnej skali. O ile mogą się różnić między sobą wskazania tych woltomierzy? 21 Współczesne woltomierz mają często wejście trzyzaciskowe i ekrany chroniące obwody wejściowe przed zakłóceniami Zaciski wejściowe w woltomierzu są zwyczajowo oznaczane symbolami HI (zacisk gorący), LO (zacisk zimny), GND (ekran ). Ważnym parametrem tego typu woltomierzy jest dopuszczalne napięcie pomiędzy ekranem ( zacisk GND) a zaciskami wejściowymi HI i LO. 22 Wynikające z semnych termosił na styku kabel gniazdo woltomierza (używać fabrycznych kabli, szczególnie przy dokładnym pomiarze małych wartości napięć) typowe dolne zakresy woltomierzy cyfrowych 100mV,10mV - dokładny pomiar mniejszych napięć trudny. 23 Elektroniczne przyrządy z zasady działania są woltomierzami. Jaki przetwornik zastosować na wejściu woltomierza, aby wskazania woltomierza były funkcją prądu mierzonego? 24 Ix R UR V UV=f(R) UV=UR=Ix*R Jak utworzyć z woltomierza cyfrowego o zakresach 100mV, 1V, 10 V, 100V amperomierz o zakresach : 10mA, 100mA, 1A ? Który zakres woltomierza należy zastosować? 25 Parametr amperomierza rezystancja wewnętrzna RA często podawana pośrednio przez spadek napięcia amperomierzu UA Spadek napięcia UA podany jako parametr określa napięcie na zaciskach amperomierza w momencie gdy płynie przez niego prąd Iz o wartości odpowiadającej zakresowi amperomierza UA RA Iz 26 Który przyrząd elektroniczny w „typowym” wykonaniu lepiej spełnia wymagania małego poboru mocy z obwodu pomiarowego: - woltomierz czy - amperomierz? Typowe parametry amperomierzy : minimalny zakres 1mA przy spadku napięcia 100mV. Wykonania specjalne amperomierzy – zakresy mniejsze niż 0,1mA ; 1mA, – amperomierze o małej rezystancji wewnętrznej 27 W układzie jak na rysunku zmierzono prąd amperomierzem o danych: zakres 20,00mA, spadku napięcia na amperomierzu 200mV,błędzie podstawowym 0.2% wartości mierzonej 3 cyfry amperomierz wskazał 11,56mA. Podać wartość prądu jaka płynie w obwodzie. E Robw IA 11,56mA ( E wynosi około 1,2V; Robw około 100omów 0,2 11,56 0,03)mA 11,56 0,05mA 100 Czy prąd IA zmierzony przez amperomierz odpowiada wartości prądu Ix, którą chcieliśmy zmierzyć? 28 RA Ix IA Ix IA Robw RA=? U RA A Iz 200mV RA 10 20mA 10 Ix 11,56mA 1,16mA 100 Ix (IA IX ) IA (11,56 1,16)m A 0,05m A Ix (12,72 0,05)m A 29 W układzie jak na rysunku zmierzono prąd amperomierzem o danych zakres 20,00mA, spadku napięcia na amperomierzu 200mV, błędzie podstawowym 0.2% wartości mierzonej 3 cyfry amperomierz wskazał 18,76mA. Podać wartość prądu jaka płynie przez opornik? R3. R1 = R2 = 500 omów, R3 =150omów R1 R2 R3 Ix 0,2 18,76 0,03)m A 100 IA 18,76 0,07m A IA 18,76m A ( Ix IA Ix IA Robw=? RA Robw RA= ? 30 R obw RA R1 * R 2 R3 R1 R 2 Robw = 400 UA UAzakresu 200mV 10 IA IAzakresu 20mA Ix IA RA 10 18,76mA 0,47mA R obw 400 Ix =(18,76+0,47)0,07= 19,23mA0,07mA 31 Dla jakich rezystancji obwodu włączenie tego amperomierza spowoduje mniejszą zmianę prądu niż 0,02%? Względna zmiana prądu w obwodzie spowodowana włączeniem amperomierza wynosi: Ix czyli I x Ix IA RA RA R obw RA Ix R A R obw R obw RA 100 0,02 R obw stąd Robw > 50 000 32