Transcript Aktívne meracie prevodníky

3. 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:
1.



2.




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
1
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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
Obr.3.1a Bočník 200 A
2
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
I
Ib
IA
Rb
RA
A
Obr.3.1b Schéma zapojenia
bočníka k ampérmetru
Ak máme ampérmetrom s rozsahom IA merať
prúd, ktorého hodnota môže byť až I, musíme
k ampérmetru pripojiť bočník (obr.3.1b)
s odporom
IA
Rb  RA 
I  IA
kde RA je vnútorný odpor ampérmetra,
Rb je odpor bočníka.
Oddelené bočníky majú vždy dva páry svoriek (napäťové a prúdové).
Napäťové svorky podstatne znižujú vplyv prechodových odporov
prívodných svoriek.
3
3
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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.
Za predpokladu veľkého zosilnenia
použitého zosilňovača platí pre meraný
prúd v ustálenom stave Ix = N.I2 a teda
U2
Ix  N 
R
kde N je počet závitov cievky prevodníka.
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
4
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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.
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
U
RV
Rp  RV 
Rp
U UV
UV
V
UV
kde RV je vnútorný odpor voltmetra
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
5
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
MTP
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.
Prevod MTP je daný pomerom menovitého primárneho prúdu I1N k jeho
menovitému sekundárnemu prúdu I2N
Ki 
I1 N
I2N
Nominálna hodnota prúdu na sekundárnej strane býva spravidla 5 A vo
výnimočných prípadoch 1A, napr. Ki = (100 / 5) A.
6
6
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
7
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
MTP
Schematická značka
Schematické zapojenie meracích prístrojov
k sekundárnemu vinutiu meracieho transformátora
8
8
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
MTN
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.
Prevod MTN je daný pomerom menovitého primárneho napätia U1N k jeho
menovitému sekundárnemu napätiu U2N
U
K u  1N
U 2N
Primárne svorky meracieho transformátora napätia sa označujú veľkými
písmenami M-N a zodpovedajúce sekundárne malými písmenami m-n.
9
9
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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.
Pri práci sa treba vyvarovať skratu na
sekundárnych svorkách.
10
10
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
11
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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.
Použitie prístrojov s usmerňovačmi (magnetoelektrických alebo
elektronických) v obvodoch s neharmonickými prúdmi je nevhodné
a môže viesť k veľkým chybám.
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
12
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
13
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
+
-
+
UD
+
- -
a)
AUUD
U0
b)
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
14
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
Aktívne meracie usmerňovače
Zapojením pasívneho usmerňovača do spätnej väzby operačného
zosilňovača je možné dosiahnuť prakticky dokonalú lineárnu charakteristiku
usmerňovača.
Tieto usmerňovače (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.
+ presný usmerňovač
Dvojcestný
používa U/
- I zosilňovač a v jeho
spätnej väzbe je dvojcestný
u1
pasívny
usmerňovač.
i2
Prevodová charakteristika je
prakticky lineárna,Rpretože sa
1
obvod voči usmerňovaču
správa ako zdroj prúdu.
a)
i2
i2
R1
+
u1
0
b)
u1
c)
15
15
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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.
I1
R1
R1
U1
R1
U2
Un
I
a)
I2
R2
+
R
In
Uo
+
I
Uo
b)
V súčasnosti sa používajú aktívne sčítacie obvody, ktoré používajú
operačné zosilňovače
16
16
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
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).
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
T
1
Uo  k 
u1 t   u 2 t   d t
T 0

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
17
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
T1
uH
c2U2
U1
ŠM
uŠ
AM
uA
DP
T2
T
Uo
U2
0
t
Uo
-c2U2
a)
b)
ŠM - šírkový modulátor, AM - amplitúdový modulátor, DP - dolnofrekvenčná priepusť)
Jednosmerná zložka výstupného napätia sa potom určí
T  T2
1
1
Uo 
u A t   d t  c2U 2T1  c2U 2T2   c2U 2 1
T 0
T
T
T

Šírkový modulátor ŠM mení činiteľ plnenia podľa vzťahu
T1  T2
 c1U1
T
takže jednosmerná zložka výstupného napätia je napokon rovná
U o  c U1U 2
18
18
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
Ostatné prevodníky elektrických veličín
Prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty na jednosmerné napätie
(TRUE RMS converter):
• Výpočtové prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty používajú pre nájdenie
efektívnej hodnoty analógový výpočet podľa matematickej definície
T
U ef
1

u 2 t   dt
T 0

• 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.
T
QT  R  I  T  R  i 2 t   d t
2

0
19
19
3. Meracie prevodníky elektrických veličín
Prevodníky maximálnej hodnoty na jednosmerné napätie:
u
U1m
D
C
u1(t)
a)
RC
RZ ud
ud
u1(t)
t
b)
Jednosmerná zložka výstupného napätia Ud je približne rovná
maximálnej hodnoty vstupného napätia U1m
20
20