Analogowe przyrządy pomiarowe

Transkrypt

1

2 Analogowe przyrządy pomiarowe Wykład nr /38

3 Elektryczne mierniki wskazówkowe Elektryczny miernik wskazówkowy jest przetwornikiem elektromechanicznym, przetwarzającym wielkości elektryczne (napięcie, prąd) na wielkość mechaniczną kąt obrotu organu ruchomego (cewkę, zespół cewek, magnes) 3/38

4 Schemat blokowy miernika wskazówkowego X UKŁAD Y USTRÓJ α X wielkość elektryczna mierzona Y wielkość elektryczna działająca na ustrój α kąt obrotu organu ruchomego ustroju UKŁAD bierny lub czynny obwód elektryczny przystosowujący elektryczną wielkość mierzoną do wymogów USTROJU USTRÓJ - przetwornik elektromechaniczny (miniaturowy silnik elektryczny prądu stałego i zmiennego) o niewielkim kącie obrotu organu ruchomego. Na ogół α max = 90 0 USTRÓJ jest delikatnym urządzeniem o niewielkich napięciach znamionowych (np. 45 mv, 60 mv, 75 mv) oraz niewielkich prądach znamionowych (np. 1 μa, 10 μa, 1 ma), co jest jednym z powodów poprzedzania go UKŁADEM. 4/38

5 Przykłady układów Układem jest tu rezystor R S, włączony szeregowo z ustrojem, tworzy najprostszy woltomierz: USTRÓJ + - R S Ux V 5/38

6 Przykłady układów Układem jest tu rezystor R B, włączony równolegle z ustrojem tworzy najprostszy amperomierz: USTRÓJ I X I 0 I B R B + - A 6/38

7 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Najdoskonalszy z ustrojów pomiarowych Wysoka czułość Liniowa funkcja przetwarzania i wynikająca stąd równomierność podziałki w całym zakresie wskazań Ustrój MAGNETOELEKTRYCZNY (ME) Zastosowanie: woltomierze, amperomierze, omomierze i wiele innych Magnesy trwałe stale stopowe wolframowe, chromowe lub kobaltowe Krótsze magnesy trwałe (rdzeniowe) - stopy żelaza i aluminium, z dodatkiem niklu (AlNi) lub niklu i kobaltu (ALNiCo) 7/38

8 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Ustrój magnetoelektryczny z przetwornikiem prostownikowym Stosowany do budowy przyrządów prądu zmiennego: Woltomierze prostownikowe Amperomierze prostownikowe Fazomierze 8/38

9 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Ustrój magnetoelektryczny ilorazowy Stosowany do budowy m. in. omomierzy induktorowych, stosowanych do pomiaru dużych rezystancji: oporności izolacji urządzeń, aparatów elektrycznych, maszyn i instalacji elektrycznych. Omomierze induktorowe nazywane są też megaomomierzami. 9/38

10 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Ustrój elektromagnetyczny (EM) Typowy ustrój pomiarowy stosowany do budowy mierników prądu zmiennego, m. in. woltomierzy i amperomierzy. W wykonaniu laboratoryjnym służyć mogą do pomiaru napięć i prądów stałych, ale jako mało czułe, powinny być stosowane do tych pomiarów tylko w ostateczności. 10/38

11 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Ustrój ferrodynamiczny (FD) Typowy ustrój pomiarowy stosowany do budowy watomierzy - mierników mocy prądu stałego lub zmiennego. 11/38

12 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Symbole położenia normalnego miernika Poziome ustawienie miernika Pionowe ustawienie miernika 45 o Ustawienie pod określonym kątem do poziomu Odchylenie od położenia znamionowego o kąt przekraczający 5 stopni kątowych powoduje, że klasa dokładności przyrządu staje się nieokreślona 12/38

13 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Symbole napięć probierczych 2 Napięcie probiercze ponad 500 V np. 2 kv Napięcie probiercze 500 V 0 Miernik nie podlega próbie napięciowej (np. omomierz) Napięcie probiercze jest to napięcie jakim badana była wytrzymałość elektryczna izolacji miernika. 13/38

14 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Symbole klas dokładności mierników k max Zp 100% 1,5 Symbol klasy dokładności, gdy błąd graniczny Δ max odniesiony jest do zakresu pomiarowego Z p miernika. Tak definiowana jest klasa dokładności dla większości mierników wskazówkowych. 14/38

15 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Symbole klas dokładności mierników 1,5 Symbol klasy dokładności w przypadku, gdy błąd graniczny wyrażony jest w jednostkach długości Δl max i odniesiony do całkowitej długości podziałki l max. k l max l max 100% Tak określana jest klasa dokładności mierników o nietypowych podziałkach, np. omomierzy, fazomierzy. 15/38

16 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Symbole klas dokładności mierników Symbol klasy dokładności w przypadku gdy błąd graniczny Δ max odniesiony jest do wartości mierzonej W m k max W m 100% 1,5 Tak definiowana jest klasa dokładności dla mierników przeznaczonych do pomiaru jednej tylko wartości pewnej wielkości, np. 230 V woltomierze pracujące w stacjach energetycznych i przeznaczone do pomiaru napięć fazowych, albo 50 Hz częstościomierze mierzące częstotliwość napięcia sieci. 16/38

17 Oznaczenia występujące na miernikach wskazówkowych Symbol ochrony od obcych pól magnetycznych 5 Stopień ochrony od pól magnetycznych. Liczba wewnątrz symbolu określa wyrażoną w mt (militeslach) wartość indukcji zewnętrznego pola magnetycznego, przy której błąd dodatkowy miernika wyrażony w % nie przekracza liczby określającej klasę dokładności 17/38

18 Ustrój magnetoelektryczny (ME) 18/38

19 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Ustrój magnetoelektryczny (ME) jest najdoskonalszym z elektromechanicznych ustrojów pomiarowych. Ocena ta wynika z dwóch następujących jego zalet: wysokiej czułości równomierności podziałki Na następnym slajdzie przedstawiony jest szkic ustroju ME. Podstawowymi elementami konstrukcyjnymi ustroju są, silny magnes trwały oraz delikatna ceweczka stanowiąca jego organ ruchomy. Do cewki przymocowana jest sztywno wskazówka w postaci cienkościennej rurki aluminiowej spłaszczonej na końcu, wykonująca ten sam ruch obrotowy co ceweczka. 19/38

20 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY RDZEŃ ŚRODKOWY MAGNES TRWAŁY CEWKA NABIEGUNNIK F N S F a 20/38

21 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Cewka oraz rdzeń środkowy ustroju ME Cewka Czopik stalowy b a Czopik stalowy Rdzeń środkowy 21/38

22 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Moment napędowy Bez dowodu przyjmiemy równanie momentu napędowego: gdzie: B - indukcja w szczelinie powietrznej, I - natężenie prądu w cewce, z liczba zwojów cewki, b - długość czynna cewki, a szerokość cewki. M N BIzab 22/38

23 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Jedyną wielkością zmienną w powyższym równaniu jest natężenie prądu I, można więc je zapisać następująco: M N BIzab c m I M N gdzie: M N = c m I c m Bzab I Moment napędowy jest więc liniową funkcją natężenia prądu płynącego przez cewkę i nie zależy od kąta obrotu cewki. 23/38

24 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Moment zwrotny Gdyby istniał tylko moment napędowy organ ruchomy ustroju (np. ceweczka) obracałby się ruchem ciągłym, aż do napotkania na jakiś element oporowy. Byłby to więc typowy silniczek elektryczny. Do funkcjonowania ustroju jako przetwornika pomiarowego niezbędne jest istnienie jeszcze jednego momentu siły, mianowicie momentu zwrotnego. Zadaniem momentu zwrotnego jest przeciwdziałanie momentowi napędowemu w taki sposób by każdej wartości prądu płynącego przez cewkę odpowiadała jedna i tylko jedna wartość kąta obrotu organu ruchomego. M N M Z 24/38

25 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Moment zwrotny wytwarzają dwie płaskie sprężyny w kształcie spirali Archimedesa, nawinięte z taśm sprężystych wykonanych z brązu fosforowego lub berylowego. Każda ze sprężynek przymocowana jest jednym swym końcem do półosi (czopika) cewki, drugim zaś do konstrukcji stałej przyrządu. Cewka obracając się, powoduje skręcanie jednej z nich a rozwijanie drugiej, jako że są one w ustroju zamontowane przeciwsobnie. 25/38

26 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Przeciwsobne działanie obu identycznych sprężyn sprawia, że zmiany temperatury otoczenia, nie naruszają ustalonego położenia cewki, bowiem temperaturowe zmiany długości taśm, z których wykonane są sprężynki i związane z tym siły, kompensują się. Moment zwrotny wytwarza zarówno sprężyna skręcana jak i rozwijana. M Z k z gdzie: k Z - stała zwracania - kąt obrotu cewki Moment zwrotny jest więc liniową funkcją kąta obrotu organu ruchomego. 26/38

27 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Wobec tego, że wszystkie wielkości występujące w równaniu z wyjątkiem natężenia prądu, mają wartości stałe, można je zapisać następująco: JeM n =M z to: gdzie: Bzab kz I c I α Funkcja przetwarzania α = f(i) Bzab c k z Zależność kąta obrotu organu ruchomego α od natężenia prądu I nazywa się funkcją przetwarzania ustroju ME I 27/38

28 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Co nazywamy czułością ustroju ME? Napiszmy raz jeszcze wyrażenie przedstawiające funkcję przetwarzania ustroju ME Bzab kz I c I Czułością ustroju ME nazywamy pochodną odpowiedzi względem wymuszenia i oznaczamy S I S I d di c Bzab k Z 28/38

29 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Wykazuje się, że kąt odchylenia organu ruchomego ustroju ME jest proporcjonalny do średniej wartości prądu płynącego przez cewkę, przy zerowej wartości średniej odchylenie wskazówki jest równe zeru. Wynika stąd, że ustrój ME, których wartości średnie są równe zeru. nie nadaje się do pomiaru napięć i prądów przemiennych. Przy niewielkiej częstotliwości prądu przemiennego, rzędu kilku herców, można obserwować słabe oscylacje wskazówki ustroju wokół położenia zerowego, które zanikają w miarę zwiększania się częstotliwości. 29/38

30 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Zastosowania ustroju magnetoelektrycznego Ten doskonały ustrój pomiarowy ma liczne zastosowania. W ramach wykładu przedstawimy tylko kilka najważniejszych: amperomierze woltomierze omomierze 30/38

31 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Amperomierz ME Najprostszy amperomierz składa się z ustroju ME i bocznika w postaci rezystora R b, o niewielkiej rezystancji, włączonego równolegle z ustrojem. Problemem jest tu konieczność precyzyjnego podziału prądu I X na dwie bardzo nierówne części: Np. I X = 1 A = 1000 ma I U = 1 ma I B = 999 ma I X I U USTRÓJ BOCZNIK I B R B 31/38

32 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Manganin Jest to ważny stop oporowy stosowany do wytwarzania dokładnych rezystorów wzorcowych. Właśnie z tego stopu wykonywane są także boczniki amperomierzy magnetoelektrycznych. Oto skład stopu: 84% Cu 12% Mn 4% Ni Na uwagę zasługuje w tym stopie oporowym znaczna ilość miedzi, która jest przecież doskonałym przewodnikiem elektrycznym. 32/38

33 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Zalety Manganinu Jego rezystywność 24 razy większa od rezystywności miedzi Ma temperaturowy współczynnik rezystancji ok. 400 razy mniejszy od takiego samego współczynnika miedzi W styku z miedzią daje minimalną siłę termoelektryczną Przypomnimy co to jest temperaturowy współczynnik rezystancji: R R t 0 Jest to więc względny (bo odniesiony do rezystancji początkowej R 0 ) przyrost rezystancji przypadający na jeden stopień przyrostu temperatury 33/38

34 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Układ rzeczywisty amperomierza z bocznikiem Układ rzeczywisty zawiera dodatkowo rezystor manganinowy R M I u ME R M R o I X I b R b Rola rezystora R M Gdy zmienia się temperatura otoczenia, rezystancja bocznika R b praktycznie pozostaje stała, gdyż jest on wykonany z manganinu stopu oporowego o znikomo małym współczynniku temperaturowym rezystancji. Ulega natomiast odczuwalnej zmianie rezystancja R o ustroju ME, ponieważ stanowi ją w głównej mierze miedziane uzwojenie cewki. Pod wpływem zmian temperatury otoczenia zmienia się więc stosunek rezystancji R b, R o, a zatem rozpływ prądu mierzonego I X. Pierwotne wzorcowanie przyrządu przestaje być w tej sytuacji prawdziwe. Dodatkowe włączenie R M szeregowo powoduje zmniejszenie wpływu zmian oporności ustroju. R R M O 4% 1 k Przy zmianie temperatury o 10 C w amperomierzu o klasie k=0,5 stosunek R M /R O co najmniej 7 34/38

35 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Amperomierz ME o kilku zakresach pomiarowych (amperomierz z bocznikiem uniwersalnym) W starszych konstrukcjach amperomierzy ME o kilku zakresach pomiarowych stosowane były tak zwane boczniki uniwersalne. Ich zaletą była trwałość połączeń poszczególnych elementów wykonanych metodą lutowania, gwarantująca niezmienność rezystancji styków na przestrzeni kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu lat. Amperomierz ME o trzech zakresach pomiarowych (z bocznikiem uniwersalnym ) R o I u ME R M R 1 R 2 R 3 I b + I n3 35/38 I n2 I n1

36 USTRÓJ MAGNETOELEKTRYCZNY Amperomierz ME o trzech zakresach pomiarowych (z przełącznikiem) I u ME R o R M + R 1 - I X R 2 R 3 I b 36/38

37 Czy potrafisz zaprojektować wielozakresowy woltomierz lub amperomierz ME? Zadanie: Narysować schemat obwodu amperomierza ME. Zaprojektować obwód o trzech zakresach pomiarowych: I n1 = 10 A, I n2 =1 A i I n3 =0,1 A. Przyjąć rezystancję ustroju R O =1 Ω, prąd ustroju I u =10 ma, R M =0 37/38

38 Dziękuję za uwagę! 38/38