Realizacja zadań pomiarowych. Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

Transkrypt

1 Realizacja zadań pomiarowych Dr inż. Janusz MIKOŁAJCZYK

2 Tematyka wykładu: - pomiary napięć i prądów stałych, - pomiary parametrów energetycznych sygnałów zmiennych, - pomiary parametrów czasowych sygnałów zmiennych, - pomiary parametrów elementów biernych,

3 Pomiar prądu stałego Metoda bezpośrednia Miernik magnetoelektryczny: - pomiar do 100mA później stosuje się bocznik Współczynnik rozszerzenia zakresu: Współczynnik dobroci Czułość prądowa R Rb m R U o V Z S I I 1

4 Pomiar napięcia stałego Metoda bezpośrednia Miernik magnetoelektryczny: - stosuje się dzielnik połączony szeregowo z ustrojem Współczynnik rozszerzenia zakresu: R R (m 1) d o Współczynnik dobroci R U V Z

5 Woltomierze elektroniczne Zalety: - bardzo duża rezystancja wejściowa; - szeroki zakres mierzonych napięć, - duża dokładność odczytu (cyfrowe). Budowa: - dzielniki; - wzmacniacze, - wtórniki, - przetworniki A/C, - urządzenia odczytowe. Dokładność: - analogowe 2%- gorsze od magnetoelektrycznych, - cyfrowe 0,005%

6 Woltomierze cyfrowe Zalety: - duża dokładność, - odczyt pozbawiony błędów subiektywnych, - krótki czas odczytu, - duży stopień automatyzacji, Parametry: - zakres napięć od 1, V do 1 000,000V - dokładność ±0,005% a nawet 0,0001% - stabilność: dobowa 0,002%, półroczna 0,008%, - zdolność rozdzielcza 10-6, - impedancja wejściowa 10M, - liczba cyfr 31/2 do 81/2

7 Woltomierze cyfrowe Woltomierze z przetwarzaniem impulsowo-czasowym Wady: - wrażliwe na zakłócenia, - mierzą wartość chwilową, - dokładność 0,06% do 0,1%, - zdolność rozdzielcza 0,1 do 1mV, Dokładność ograniczona przez: nieliniowość napięcia, niestabilność generatora impulsów, błąd komparatora napięcia

8 Woltomierze cyfrowe Woltomierze kompensacyjne Najdokładniejsze 0,001% do 0,05%, Zdolność rozdzielcza 1-10uV Przyczyny błędów -niestabilność i niedokładność napięć wzorcowych, - próg czułości detektora różnicowego.

9 Woltomierze cyfrowe Z pojedynczym całkowaniem Zalety: - nie jest on czuły na zakłócenia, - dokładność rzędu od 0,01% do 0,1%. Dokładność zależy : nieliniowość integratora niestabilność procesów przejściowych na początku i końcu całkowania niestabilność napięcia U0 błąd komparatora Z podwójnym całkowaniem Błąd tego typu woltomierzy jest uwarunkowany stabilnością i dokładnością napięcia wzorcowego U0, a prawie wcale nie zależy od dokładności generatora wzorcowego. W woltomierzach tego typu jest osiągana dokładność rzędu od 0,05% do 0,02%

10 Metoda pośrednie Kompensacyjna - kompensator Feussnera - kompensator Dieselhorsta - kompensator Julie - kompensatory tzw. techniczne Właściwości: Nie obciąża źródła mierzonego napięcia Dokładność zależy od dokładności wzorca napięcia kompensującego oraz czułości wskaźnika stanu kompensacji

11 Metody pośrednie Metoda różnicowa Dokładność pomiaru nie zależy w zasadzie od zastosowanego miernika, a od klasy użytego wzorca Metoda jest stosowana gdy: -wartość mierzona jest większa od zakresu pomiarowego, - przedmiotem pomiaru jest zbiór wartości nieznacznie różniących się między sobą, a częstotliwość pomiarów jest znaczna, - dokonuje się sprawdzenia czy wartości elementów znajdują się w granicach tolerancji.

12 Realizacja zadań pomiarowych Pomiary parametrów energetycznych sygnałów

13 Parametry energetyczne sygnału przemiennego Wartość średnia sygnału Uśr Wartość skuteczna sygnału Usk Wartość maksymalna (wartość szczytowa) Umax Współczynnik szczytu ksz Współczynnik kształtu kk Współczynnik zawartości harmonicznych -współczynnik zniekształceń

14 Parametry energetyczne sygnału przemiennego

15 Parametry czasowe sygnału przemiennego Częstotliwość Okres Faza sygnału Czas trwania impulsu Czas narastania Czas opadania Współczynnik wypełnienia

16 Woltomierze napięcia przemiennego Woltomierze elektromechaniczne: - elektromagnetyczne, - elektrodynamiczne, - elektrostatyczne Najczęściej elektrostatyczne do pomiaru wartości skutecznej Zakres 3 kv Wersja 244AL zakres 15V Pomiar bezkontaktowy Dokładność lepsza niż 0,1 %

17 Woltomierze elektroniczne Analogowe

18 Woltomierze elektroniczne Cyfrowe

19 Woltomierze elektroniczne Cyfrowe

20 Woltomierze z przetwornikami wartości średniej Wady diod prostowniczych: - wrażliwe na zmiany temperatury, - słaba stabilność czasowa, - pojemność złączowa. Przeznaczone do pomiaru napięcia m.cz. I 0,32 0 I max 1,11 k Błąd kształtu: U 1 Wady: - mały zakres napięć, - nierównomierność obciążenia źródła przy zmianie polaryzacji, - niemożność pomiaru zbyt dużych napięć. Układ jednopołówkowy

21 Woltomierze z przetwornikami wartości średniej Układ dwupołówkowy mostek Greatza I 0,64 0 I max Wady: - ograniczenie min. zakresu mierzonych napięć, - malejący współczynnik przetwarzania, - wpływ rezystancji źródła i obciążenia na ch-kę przetwarzania,

22 Woltomierze z przetwornikami wartości średniej Aktywny prostownik jednopołówkowy: - polepsza liniowość charakterystyki przetwarzania Na wyjściach woltomierzy: - analogowych jest miernik magnetoelektryczny, - cyfrowych filtr dolnoprzepustowy.

23 Woltomierze z przetwornikami wartości szczytowej Szeregowy Równoległy

24 Woltomierze z przetwornikami wartości szczytowej Współczynnik przetwarzania zależy od: - częstotliwości, - kształtu napięcia wejściowego, - rezystancji wewnętrznej źródła i woltomierza. Wnioski: - napięcie wyjściowe przetwornika szeregowego jest proporcjonalne do wartości szczytowej całego napięcia wejściowego, - składowa stała sygnału wejściowego nie jest mierzona w przetworniku równoległym. Błąd: Wady: U Dla małych częstotliwości zmniejsza się współczynnik przetwarzania. Charakterystyka przetwarzania nie jest liniowa w zakresie małych napięć. Na wartość napięcia wpływa współczynnik wypełnienia Zalety: - szeroki zakres częstotliwości pracy k a 2 1

25 Woltomierze z przetwornikami wartości skutecznej Zawartość zniekształceń wpływa na pomiary w woltomierzach z przetwornikami wartości średniej Pomiar wartości skutecznej dzięki: - wykorzystaniu efektów cieplnych, - przekształcenie sygnału. Przekształcenie wymaga: - podniesienia napięcia do kwadratu, - określenia wartości średniej otrzymanego przebiegu, - obliczenia pierwiastka kwadratowego. Podniesienie do kwadratu układ kwadratora.

26 Kwadratory Kwadrator z odcinkowo-liniową aproksymacją charakterystyki

27 Kwadratory Kwadrator z analogowymi układami mnożącymi

28 Kwadratory Kwadrator z układami logarytmicznymi i wykładniczymi

29 Przetworniki termoelektryczne Wada: - duża stała czasowa, - ograniczony zakres częstotliwości.

30 Przetworniki scalone

31 Amperomierze prądu przemiennego Amperomierze elektroniczne pośrednia metoda pomiaru poprze pomiar napięcia na wzorcowym rezystorze. Amperomierze termiczne: - termoelektyczne, - bimetaliczne

32 Realizacja zadań pomiarowych Pomiary parametrów czasowych

33 Pomiary parametrów czasowych Częstotliwość: - bardzo duża pomiary długości fali f c n Wada: - zależy od parametrów ośrodka: ciśnienia, temperatury, wilgotności. Metody porównawcze: - interferencyjna, - za pomocą oscyloskopu Metody bezpośrednie: - częstotliwościowe, - czasowe

34 Pomiary cyfrowe częstotliwości f = X N t B f X = k k + 1 N Własności: - błąd pomiaru maleje ze wzrostem częstotliwości, - wydłużenie czasu bramkowania zmniejsza błąd pomiaru,

35 Pomiary cyfrowe okresu 1 f X = fk + = fk + N mf f k X Dodatkowo trzeba uwzględnić błąd otwarcia bramki Własności: - błąd pomiaru maleje wraz ze zmniejszaniem częstotliwości, - błąd jest mniejszy im mniejszy jest obszar niepewności pracy przerzutnika bramki oraz większe nachylenie krzywej sygnału,

36 Cyfrowy pomiar odstępu czasu

37 Pomiar kąta przesunięcia fazowego Fazomierz cyfrowy Pomiar kata w zakresie 0-2 Dokładność 0,1-0,01 0

38 Pomiar kąta przesunięcia fazowego Fazomierz impulsowy Pomiar kata w zakresie 0-2 Dokładność 1-2 0

39 Pomiar częstotliwości-oscyloskop Oscyloskop

40 Pomiar częstotliwości-metoda interferencyjna Dokładność pomiaru częstotliwości zależy od zastosowanego wzorca częstotliwości i progu pobudliwości wskaźnika zaniku dudnień. Częstościomierze interferencyjne stosowane są do pomiaru częstotliwości dużych i bardzo dużych rzędu GHz.

41 Pomiar częstotliwości-metoda rezonansowa Częstościomierz wibracyjny Częstościomierze wibracyjne budowane są głównie jako przyrządy do pomiaru częstotliwości sieciowych w energetyce. Zakresy pomiarowe tych częstościomierzy wynoszą najczęściej Hz. Języczki strojone są co 0,5 Hz, co zapewnia odczyt z dokładnością na poziomie 0,25 Hz. Częstościomierz absorpcyjny Dokładność pomiaru częstościomierzem absorpcyjnym jest niewielka i zawiera się w granicach 0,1-0,2%.

42 Pomiar częstotliwości-metoda mostkowa Mostki do pomiaru częstotliwości stosowane są w paśmie do 150 khz, a ich dokładność zawiera się w granicach (0,1-0,3)%.

43 Pomiar częstotliwości-metoda integracyjna Zakres częstotliwości mierzonych częstościomierzem integracyjnym ograniczony jest możliwością zmniejszania stałych czasowych ładowania kondensatora do ok. 1 MHz. Niedokładność pomiaru takim przyrządem wynosi 1 : 3 %.

44 Pomiar kąta przesunięcia fazowego-oscyloskop Oscyloskop

45 Realizacja zadań pomiarowych Pomiary parametrów elementów biernych

46 Pomiar parametrów elementów biernych Rezystor Metody: - pośrednia techniczna poprzez pomiar napięcia i prądu, - zerowa mostek Wheastone a, - porównawcza w miernikach cyfrowych Mała rezystancja Duża rezystancja

47 Pomiar parametrów elementów biernych Kondensator Element rzeczywisty Szeregowy Kąt stratności współczynnik strat: D = tg = R S C S Równoległy Metody: - pośrednia techniczna poprzez pomiar napięcia i prądu i przesunięcia fazy, - zerowa mostki, - porównawcza Q-metry, rezonansowa, - cyfrowa

48 Pomiar parametrów elementów biernych Cewka Element rzeczywisty Dobroć cewki tg = Rr L r = L R s s = Q Metody: - pośrednia techniczna poprzez pomiar napięcia i prądu i przesunięcia fazy, - zerowa mostki, - porównawcza Q-metry, rezonansowa, - cyfrowa.

49 Pomiar rezystancji metoda techniczna V V X X R R R R Układ poprawnie mierzonego napięcia Układ poprawnie mierzonego prądu X a X R R R ) R (R R R ) R (R R V X V V V X X X a X R R R Gdy I=const woltomierz jest wyskalowany w - omomierze cyfrowe Gdy U=const. omomierze analogowe (magnetoelektryczne)

50 Pomiar rezystancji metoda techniczna Omomierze magnetoelektryczne Omomierz szeregowy Omomierz równoległy - pomiar omomierzem szeregowym jest najdokładniejszy przy Rm = Rwe -pomiar omomierzem równoległym jest najdokładniejszy Rm = C wtedy R=4*kl.d. -zakres pomiarowy omomierza należy tak dobierać, aby 0,4Rwe <Rm <2,5Rwe, wtedy R = 5 kl.d.

51 Pomiar rezystancji metoda porównawcza

52 Pomiar rezystancji metoda cyfrowa

53 Pomiar rezystancji metoda zerowa R R 1 R Błąd nieczułości x = f(, ) x 1 E 3 R X = R 2 R R 4 3 Dokładność: 0,01-0,05% Zakres 1-10M Rezystor regulowany-równoważenie mostka, pozostałe służą do dopasowania zakresu pomiarowego Dokładność zależy: - dokładności rezystorów wzorcowych, - czułości wskaźnika równowagi, - rezystancji przewodów i styków.

54 Pomiar impedancji-metody mostkowe Warunek na: Moduły IZ x IIZ 3 I= IZ 2 IIZ 4 I Fazy x + 3= 2+ 4 Mostki stosunkowe: o stałej różnicy faz (w gałęzi drugiej i trzeciej lub trzeciej i czwartej znajdują się elementy stałe, elementy regulowane odpowiednio w czwartej lub drugiej) Mostki iloczynowe: o stałej sumie faz elementy nastawieniowe znajdują się w gałęzi trzeciej, a stałe w drugiej i czwartej.

55 Pomiar pojemności metoda zerowa Mostek Wiena-szeregowy Mostek Nernsta-równoległy Układ równoległy jest wygodniejszy do pomiaru pojemności kondensatorów o dużym współczynniku strat Mostek Scheringa pracuje przy napięciu powyżej kilku kv., np. przy pomiarach stratności kabli, izolatorów Może być także stosowany do dokładnego porównywania pojemności i współczynnika strat dielektryków. Osiąga dokładność rzędu 0,01%.

56 Pomiar indukcyjności metoda zerowa Mostek Maxwella-Wiena- przeważnie do pomiaru indukcyjności cewek o szeregowym schemacie zastępczym Zakres do 10H Dokładność 0,1-0,2% Wada: trudność pomiaru cewek o dużej dobroci-gdy rezystancja szeregowa jest stosunkowo mała. Mostek Haya do pomiaru cewek o dużej dobroci

57 Pomiar impedancji mostki transformatorowe Z = Z x N N N x N Zalety: - większa powtarzalność pomiarów, - większa dokładność,

58 Pomiar impedancji metody rezonansowe Zjawiska: -rezonans obwodu i zależność częstotliwości rezonansowej od składowej reaktancyjnej impedancji badanej, - zależność wartości napięć i prądów w stanie rezonansu od dołączonej rezystancji objawiająca się obniżeniem wierzchołka krzywej rezonansowej, - rozszerzenie krzywej rezonansowej spowodowanej zwiększeniem tłumienia obwodu wskutek dołączania badanej impedancji

59 Pomiar impedancji metody rezonansowe Impedancja o małej wartości szeregowy układ rezonansowy Pomiar dwuetapowy: 1) Mierzona impedancja jest zwierana, a obwód doprowadzany do rezonansu przez zmianę kondensatora C do wartości C 1 2) Dołączana jest do obwodu badana impedancja i powtarza się procedurę 1 aż uzyska się wynik C 2 Gdy C 1 >C 2 to impedancja ma charakter indukcyjny, gdy odwrotnie to pojemnościowy.

60 Pomiar impedancji metody rezonansowe Impedancja o dużej wartości równoległy układ rezonansowy Pomiar dwuetapowy: 1) Mierzona impedancja jest odłączana, a obwód doprowadzany do rezonansu przez zmiane kondensatora C do wartości C 1 2) Dołączana jest do obwodu badana impedancja i powtarza się procedurę 1 aż uzyska się wynik C 2 Gdy C 1 >C 2 to impedancja ma charakter indukcyjny, gdy odwrotnie to pojemnościowy. Metoda rezonansowa jest wygodna do pomiaru dobroci cewek, ale dokładność pomiaru impedancji nie jest zadawalająca.