VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA

Transcript

1 VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA SMAK Robert ELEKTRONSKI INSTRUMENT ZA MERENJE PRAVIH EFEKTIVNIH VREDNOSTI - d i p l o m s k i r a d - Beograd, 007.

2 Kandidat: Smak Robert Broj indeksa: 8/06 Smer: Elektronika i telekomunikacije Tema: ELEKTRONSKI INSTRUMENT ZA MERENJE PRAVIH EFEKTIVNIH VREDNOSTI Osnovni zadaci:. Analiza problema. Projekat i realizacija 3. Laboratorijsko ispitivanje Hardver: 80% Softver: 0% Teorija: 0% Mentor Beograd, Dr. Petar Bošnjaković

3 IZVOD U ovom diplomskom radu opisan je postupak projektovanja i realizacije elektronskog instrumenta za merenje pravih efektivnih vrednosti naizmeničnih napona i struja. U uvodnom delu obrađeni su osnovni pojmovi značajni za razumevanje problematike merenja efektivnih vrednosti. Objašnjene su i elektronske tehnike koje se koriste za merenje efektivnih vrednosti. Posebna pažnja je obraćena na integrisani konvertor efektivne vrednosti u jednosmerni napon AD736 (Analog Devices) koji je upotrebljen za realizaciju praktičnog rešenja. U poslednjem poglavlju tabelarno i grafički su prikazani rezultati ispitivanja i baždarenja realizovanog instrumenta za merenje pravih efektivnih vrednosti. ABSTRACT An electronic instrument intended for the measurement of AC voltages and currents is presented. The basic theories of the RMS measurements are explained. Electrical techniques for performing true RMS measurements are described also. Special attention is given to integrated True RMS to DC converter AD736 description. The realized instrument is calibrated and examined in the Institute Nikola Tesla laboratory. The testing results are presented in tabular and graphic form.

4 SADRŽAJ. UVOD.... OPŠTE O MERENJU EFEKTIVNE VREDNOSTI..... EFEKTIVNE I SREDNJE VREDNOSTI NAIZMENIČNIH VELIČINA..... KOEFICIJENTI IZOBLIČENJA NAIZMENIČNIH SIGNALA MERENJE EFEKTIVNIH VREDNOSTI NAIZMENIČNIH SIGNALA PRESLIKAVANJE EFEKTIVNE VREDNOSTI ANALOGNOG SIGNALA U VREDNOST JEDNOSMERNOG NAPONA TERMALNI KONVERTORI Termalni konvertor sa fiksnim pojačanjem Termalni konvertor sa promenljivim pojačanjem DIREKTNO IZRAČUNAVANJE IMPLICITNO IZRAČUNAVANJE PROJEKAT I RAZVOJ INSTRUMENTA ULAZNI DEO MERNI DEO Konvertor efektivne vrednosti u jednosmerni napon Pojačavač Analogno-digitalni pretvarač (A/D konvertor) Izvor referentnog napona Oscilator BCD-sedmosegmentni dekoder/drajver Displej NAPAJANJE INSTRUMENTA LABORATORIJSKO ISPITIVANJE I ETALONIRANJE REALIZOVANOG INSTRUMENTA POSTUPAK METROLOŠKOG ISPITIVANJA KALIBRACIJA ISPITIVANJE Merenje naizmeničnih napona Merenje naizmeničnih struja TEHNIČKE KARAKTERISTIKE INSTRUMENTA ZAKLJUČAK INDEKS POJMOVA LITERATURA PRILOG... 3

5 . UVOD U električnim mrežama i raznim kolima, u idealnom slučaju, struja i napon se menjaju po sinusnom zakonu. Kako je sinusna funkcija prostoperiodična funkcija, to su i pojave koje se dešavaju u ovim kolima prostije. Zbog toga su i mogućnosti njihovog merenja jednostavnije i prostije. Međutim, u praksi su prostoperiodične veličine retkost, jer su struja i napon manje ili više izobličeni (predstavljaju složenoperiodične funkcije vremena). Na izobličenost utiču razni parametri električnih kola, koji su često promenljivi i zavise od napona, struje ili vremena. Izobličenost je i posledica konstruktivnih nedostataka generatora. Međutim, najveći udeo viših harmonika (koji u najvećoj meri utiču na izobličenost) u električnim kolima nastaje zbog sve veće primene različitih vrsta poluprovodničkih komponenti i sklopova (tranzistora, tiristora, dioda, pojačavača) koji deluju kao nelinearni potrošači, zatim elektrifikacije saobraćaja (elektrovučne podstanice), raznih elektroliza, elektrolučnih peći, itd. Time zadatak tačnog merenja električnih veličina postaje znatno složeniji, pogotovo ako se ima u vidu da se skoro svi merni instrumenti za merenje struje i napona kalibrišu (baždare) za prostoperiodični oblik struje i napona. Zbog toga se u novije vreme pokušavaju projektovati i proizvoditi elektronski instrumenti na čiju će tačnost u što je moguće manjoj meri uticati izobličenost merene struje i napona. Cilj ovog diplomskog rada je da se isprojektuje i praktično realizuje instrument (merilo) koji meri prave efektivne vrednosti naizmeničnih struja i napona. Merilo treba realizovati sa komercijalnim konvertorom prave efektivne vrednosti naizmeničnog napona u jednosmerni. Pritom treba voditi računa da greška merila bude u granicama klase 0,5 ili eventualno.

6 . OPŠTE O MERENJU EFEKTIVNE VREDNOSTI.. Efektivne i srednje vrednosti naizmeničnih veličina Naizmeničnu veličinu u pogledu intenziteta karakteriše njena maksimalna vrednost (amplituda). Međutim u teoriji naizmeničnih veličina za opis intenziteta se mnogo češće koriste efektivne vrednosti naizmeničnih veličina. Svi instrumenti koji mere naizmenične veličine pokazuju baš efektivne vrednosti, a pomoću efektivnih vrednosti mogu se izraziti i druge veličine karakteristične za električna kola, kao na primer električna snaga i energija. Efektivne vrednosti su matematičke veličine koje fizički ne postoje, jer se naizmenične veličine stalno menjaju. Efektivna vrednost naizmenične struje je stalna vrednost struje pri kojoj se u otporniku R za vreme jednog perioda pretvori u toplotu isti električni rad kao i pri posmatranoj naizmeničnoj struji. Ako u otporniku otpornosti R imamo naizmeničnu struju i, onda je električni rad A koji se u toku jednog perioda T pretvori u toplotu dat izrazom: A = T R i T dt = R i dt 0 0 (.) Ako u istom otporniku R imamo stalnu struju I, onda se za vreme T u toplotu pretvori električni rad A : A' = R I T (.) Po definiciji efektivne vrednosti mora biti A=A iz čega sledi efektivna vrednost naizmenične struje: I ef T = i T 0 dt (.3) i to samo pozitivna rešenja, jer su efektivne vrednosti isključivo pozitivne vrednosti. Ako se naizmenična struja menja po sinusnom zakonu onda je njena efektivna vrednost: I ef T = I m t dt T sin ω 0 (.4) a kako je T 0 T cosωt T sin ω t dt = dt = (.5) to je: 0 I ef Im T Im = Ief = 0, 707 Im T (gde je I m maksimalna vrednost naizmenične struje). (.6)

7 Pored efektivnih i maksimalnih vrednosti naizmeničnih veličina u praksi se često upotrebljavaju i srednje aritmetičke vrednosti tj. srednje vrednosti naizmeničnih veličina. One su, kao i efektivne vrednosti, matematičke veličine koje fizički ne postoje. Srednja vrednost nekog naizmeničnog napona u, u vremenskom intervalu od t do t, definisana je izrazom: U = sr u dt t t (.7) t t Srednja vrednost sinusne funkcije za ceo period jednaka je nuli, jer su površine pozitivne i negativne poluperiode jednake a suprotnog znaka. Zato se pod srednjom vrednosti neke naizmenične veličine, koja se menja po sinusnom zakonu, podrazumeva srednja vrednost u toku one poluperiode kada je ta veličina pozitivna. Srednja vrednost naizmeničnog sinusnog napona u je: T / T / U m U sr = u dt = sinω t dt (.8) T / T U sr 0 0 = U m 0, 637 U m π Na sličan način se dobija i odnos između srednjih i maksimalnih vrednosti struja: I sr = I m 0, 637 I m (.0) π Dakle, srednjoj vrednosti neke naizmenične struje odgovara jedna stalna vrednost struje pri kojoj bi za vreme polovine periode kroz kolo protekla ista količina elektriciteta kao i pri posmatranoj naizmeničnoj struji. (.9).. Koeficijenti izobličenja naizmeničnih signala Kao mera talasnog oblika neke složenoperiodične veličine koriste se sledeći koeficijenti: Koeficijent oblika krive (faktor oblika), koeficijent amplitude (krest faktor) i koeficijent harmoničnog izobličenja (klirfaktor). Koeficijent oblika krive (faktor oblika) predstavlja se odnosom efektivne i srednje vrednosti složenoperiodične veličine e(t): Eef k = (.) Esr Primer: Faktor oblika za prostoperiodični napon (sinusnog oblika) je: Eef 0,707 Esr 0,637 k = = =, odnosno: = = 0, 90 E 0,637 E 0,707 sr ef 3

8 Koeficijent amplitude (krest faktor) predstavlja se odnosom maksimalne i efektivne vrednosti složenoperiodične veličine e(t): k = E m (.) Eef Koeficijent harmoničnog izobličenja (klirfaktor) se najčešće definiše jednačinom: ef 3ef Eef nef E + E E k = (.3) Ovde je E ef = ( E ef +E ef +E 3ef +...+E nef ) efektivna vrednost napona, a E ef, E ef, E 3ef,...,E nef efektivne vrednosti napona pojedinih harmonika. Kako je E ef >>E ef +E 3ef +...+E nef, to se koeficijent harmoničnog izobličenja može definisati i kao: ef 3ef ef nef E + E E k' = (.4) E a razlika između ove dve definicije je često zanemarljiva. Klirfaktor za prostoperiodične signale je k=0, a za napon u električnoj mreži koja se smatra tehničkom sinusoidom mora biti k 0,05. Dakle klirfaktor se menja u granicama od 0 do i pogodan je za harmonijsku analizu složenoperiodičnih signala. Analiza oblika talasa, koji su tipični za kola industrijske elektronike, pokazuje da se faktori oblika i amplitude kreću u vrlo širokim granicama. Vrednosti faktora oblika i krest faktora (koeficijenta amplitude) pojedinih oblika signala dati su u tabeli: Oblik signala Faktor oblika k Koeficijent amplitude k Oblik signala Faktor oblika k Koeficijent amplitude k,,44,000,000 sinusni kvadratni trouglasti,55,73 poluvalno ispravljeni,57,000 testerasti,55,73 punovalno ispravljeni,,44 Slika.. Faktor oblika i krest faktor pojedinih oblika signala 4

9 .3. Merenje efektivnih vrednosti naizmeničnih signala Da bi elektronski instrumenti mogli meriti naizmenične sinusoidne napone potrebno je te napone ispraviti pomoću usmerača. Kako usmerači na svom izlazu daju srednju vrednost napona, neophodno je tu vrednost pomnožiti sa koeficijentom oblika krive k da bi se dobila efektivna vrednost napona tj. E sr k =E ef. Za signale sinusoidnog oblika koeficijent oblika je k =E ef /E sr =0,707/0,637=, što znači da će instrument meriti efektivnu vrednost napona ako se njegova srednja vrednost pomnoži sa, (E sr,=e ef ). Ovakvi instrumenti tačno mere efektivnu vrednost samo kada je merena veličina sinusoidna (prostoperiodična). Složenoperiodični naponi mere se sa greškom u zavisnosti od vrednosti faktora oblika krive k. Greška koja nastaje u merenju električnih vrednosti složenoperiodičnog signala čiji je faktor oblika k jednaka je:, k g = 00 [%] (.5) k Primer: Neka se ovakav instrument upotrebi za merenje složenoperiodičnog napona kvadratnog oblika čiji je faktor oblika k =. Greška koju unosi faktor oblika biće:, g = 00 = + % Iz ovoga sledi da se instrumenti koji mere na ovom principu ne mogu koristiti za merenja u električnim kolima u kojima se očekuju izobličeni signali. U takvim kolima se moraju upotrebiti merila koja mere pravu efektivnu vrednost složenoperiodičnih signala. Za razliku od elektronskih instrumenata i instrumenata sa usmeračem i kretnim kalemom, koji efektivnu vrednost mere posredno, postoje i analogni instrumenti (sa kazaljkom) koji direktno mere efektivnu vrednost. Najrasprostranjeniji takvi instrumenti su sa kretnim gvožđem i elektrodinamički. Međutim i oni imaju nedostataka jer imaju nepovoljnu frekventnu karakteristiku i podložni su uticaju stranih magnetnih i električnih polja naročito elektrodinamički merni sistemi bez oklopa. Termički instrumenti se praktično više i ne proizvode jer su skupi i osetljivi na preopterećenja. Razvojem mikroelektronike i visoko integrisanih konvertora efektivne vrednosti u jednosmerni napon sve su rasprostranjeniji digitalni instrumenti za merenje prave efektivne vrednosti. Laboratorijska precizna merila su bazirana na digitalnoj obradi signala. To su omogućili brzi mikrokontroleri i analogno-digitalni (A/D) konvertori uz moćnu softversku podršku. Analogni naizmenični signal se dovodi na brzi A/D konvertor da bi se preveo u digitalni oblik. Nastoji se da broj odabira bude što je moguće veći u vremenskom intervalu (vreme akvizicije) dužem od jedne periode. Obrada se zatim vrši na digitalnim odbircima, koji se mogu digitalno filtrirati, razvijati u Furijeov red ili se može vršiti Furijeova transformacija. Što je veći broj odabira i duže vreme akvizicije to se tačnije izračunava prava efektivna vrednost merenog signala. 5

10 3. PRESLIKAVANJE EFEKTIVNE VREDNOSTI ANALOGNOG SIGNALA U VREDNOST JEDNOSMERNOG NAPONA Kao što je objašnjeno u poglavlju. klasični elektronski instrumenti posredno, preko srednje vrednosti pomnožene sa,, mere efektivnu vrednost. Pritom se pretpostavlja da je ulazni signal sinusnog oblika. Što je veće odstupanje stvarnog oblika signala od sinusnog oblika to je tačnost merenja efektivne vrednosti manja. Za jednosmerni signal greška merenja je +%, za testerasti -4%, a za Gausov šum -,3%. Na slici 3.. prikazana je greška merenja efektivne vrednosti sinusnog signala dobijenog prekidanjem za različite vrednosti ugla paljenja. Slika 3.. Efektivna i srednja vrednost čistog sinusnog signala u funkciji ugla paljenja Postoje tri elektronske tehnike koje se koriste za preslikavanje efektivne vrednosti analognog signala u jednosmerni napon: ) Termička, koja je zasnovana na konverziji nepoznatog napona ili struje u toplotu na otporniku poznate otpornosti, ) direktno izračunavanje, kod koje se koristi analogna tehnika za kvadriranje, usrednjavanje i korenovanje, i 3) implicitno izračunavanje, koje predstavlja varijaciju direktnog izračunavanja sa tom razlikom da se korenovanje vrši u kolu sa povratnom spregom. Termalni konvertori imaju zadovoljavajuću tačnost i propusni opseg, ali su oni komplikovani za realizovanje u praksi. Konvertori na bazi implicitnog izračunavanja predstavljaju najbolje rešenje, jer pored dobre tačnosti i propusnog opsega, jednostavni su i jeftini za realizaciju. 6

11 3.. Termalni konvertori 3... Termalni konvertor sa fiksnim pojačanjem Najprostiji termalni konvertor koji se koristi za relativno niske frekvencije (do 0 MHz) je konvertor sa stalnim pojačanjem, prikazan na slici 3.. Ulazni napon V IN izaziva zagrevanje otpornika R. Izlazni jednosmerni napon E 0 zagreva otpornik R i to do temperature koja je jednaka onoj na otporniku R. Temperature se mere senzorima S i S. Napon E 0 se kontinualno podešava da bi se temperaturna razlika održala na nuli. Ako se otpornici R i R nalaze u istim ambijentalnim termičkim uslovima onda će im i snage disipacije biti jednake na osnovu čega se određuje izlazni napon E 0 : R E0 = VEF (3.) R ( K V IN ) / R = ( K E0 ) / R Slika 3.. Termalni konvertor sa stalnim pojačanjem Pojačavač A mora imati veliku ulaznu impedansu, dovoljnu izlaznu struju za zagrevanje malih otpornosti (od 0 Ω do 00 Ω) i odgovarajući propusni opseg jer je pojačavač obično ograničavajući faktor za ulazni opseg kod termalnog konvertora. Struktura spoja otpornik-senzor ima najveći uticaj na tačnost i propusni opseg termalnog konvertora. Kvalitetni termalni konvertori imaju otpornike u obliku tanke namotane žice i termopar kao senzor temperature, koji se nalaze u vakuumu. Ove otpornosti moraju biti nezavisne od temperature, i senzori moraju biti međusobno izolovani kako bi se sprečila nelinearnost. Ako se koriste termoparovi pojačavač A mora biti vrlo stabilan zbog male osetljivosti termoparova (40 μv/ C). Zbog toga se za otpornike koriste tanki filmovi, a za senzore tranzistori jer oni imaju bolju osetljivost (- mv/ C) od termoparova. Zbog velike termičke inercije vreme kašnjenja izlaza je veliko. Opseg frekvencija ulaznog signala je sa gornje strane ograničen propusnim opsegom pojačavača A, a sa donje strane termičkom vremenskom konstantom senzora pri niskim frekvencijama (od Hz do 0 Hz). 7

12 Ograničeni dinamički opseg podrazumeva ograničenje krest faktora ulaznog signala. Ako sklop otpornik - senzor temperature radi najbolje sa strujama od 0 ma do 30 ma, a krest faktor ulaznog signala je 3, onda pojačavač A mora da obezbedi struju u opsegu od 30 ma do 90 ma. Za krest faktor 5 potrebna je struja od 50 ma do 00 ma. Čak i ako pojačavač može da obezbedi tu struju otpornik može da se ošteti jer je dimenzionisan za mali krest faktor, kao što je kod sinusnog signala Termalni konvertor sa promenljivim pojačanjem Problem ograničenog dinamičkog opsega i krest faktora kao i veliko vreme kašnjenja kod termalnih konvertora može da se eliminiše zagrevanjem otpornika R i R sa konstantnom snagom. Tako se dobija termalni konvertor sa promenljivim pojačanjem prikazan na slici 3.3. Slika 3.3. Termalni konvertor sa promenljivim pojačanjem Pojačanje ulaznog pojačavača A podešava se sa signalom uzetim sa izlaza pojačavača A, da bi se snaga zagrevanja otpornika R izjednačila sa snagom zagrevanja otpornika R, koji daje konstantni napon V REF. Ako ulazni pojačavač ima pojačanje obrnuto proporcionalno kontrolnom naponu E 0, onda će kontrolni napon biti proporcionalan efektivnoj vrednosti ulaznog signala. V IN VREF K = E 0 R R E R VIN 0 K = K' V IN R VREF = (3.) Termalni konvertor sa promenljivim pojačanjem ima veći dinamički opseg i tačnost od onog sa stalnim pojačanjem, ali i dalje zahteva relativno veliku struju za zagrevanje otpornika (0 ma do 00 ma), pa je potrebno dobro uzemljenje. Vremenska konstanta termalnih konvertora ne može da se smanji niskopropusnim filterima (kao kod konvertora koji rade na principu izračunavanja), pa oni ne rade dobro sa ulaznim signalima čija je frekvencija manja od 0 Hz. 8

13 3.. Direktno izračunavanje Izračunavanje efektivne vrednosti ulaznog signala zahteva tri matematičke operacije: kvadriranje, usrednjavanje i korenovanje. Šema za direktno izračunavanje, prikazana na slici 3.4, ima nekoliko nedostataka i to su: ) cena i složenost, jer zahteva dva množioca (ili jedan množilac i jedno kolo za korenovanje) i jedan operacioni pojačavač, i ) ograničeni dinamički opseg, jer ako ulazni signal ima dinamički opseg 00: (od 0, V do 0 V) izlaz iz kvadratora će varirati u opsegu 0000: (od mv do 0 V). Slika 3.4. Konvertor na bazi direktnog izračunavanja 3.3. Implicitno izračunavanje Ova tehnika je zasnovana na sledećim jednačinama: EF V IN V = V EF IN V = (3.3) V EF Šema konvertora na bazi implicitnog izračunavanja prikazana je na slici 3.5. Slika 3.5. Konvertor na bazi implicitnog izračunavanja Ovakvo rešenje ima veći dinamički opseg od termalnog konvertora sa promenljivim pojačanjem. Takođe može da se koristi za vrlo spore signale, izborom odgovarajućih vrednosti za R i C (τ=rc mora biti mnogo veće od najduže periode ulaznog signala, ali i dovoljno malo da obezbedi odgovarajuće malo vreme kašnjenja). 9

14 Postoje dva načina za realizovanje ove šeme: direktno množenje i deljenje ili preko specijalnih kola koja vrše log-antilog operacije. Na slici 3.6. data je blok šema, a na slici 3.7. šema praktične realizacije konvertora na bazi log-antilog kola. Slika 3.6. Log-antilog konvertor Bipolarni ulazni signal V IN se konvertuje u unipolarni strujni. Ta struja se transformiše u napon proporcionalan dvostrukom logaritmu ulaza lnx=ln(x ). Ova operacija se radi preko dva spoja u seriji (A, QA, QA). Logaritam izlaza se dobija preko A3 i QB pa se onda oduzima od logaritma kvadrata ulaza. Rezultat se antilogaritmuje preko QB i A4, usrednjava filterom RC i transformiše u izlazni napon preko otpornika. Slika 3.7. Električna šema log-antilog konvertora kt V IN V = ln (3.4) q R I ES kt E = ln (3.5) q R I ES V 0 I q( V V ) / RT = I ES e (3.6) 0

15 kt V IN E0 kt V = IN V = V ln ln ln (3.7) q R I ES R I ES q E0 R I ES I 0 IN IN V V = I ES = (3.8) E R I R E ES 0 E 0 = I R V IN = (3.9) RC E0 Za frekvenciju ulaznog signala koja je velika u poređenju sa /(π RC) važi: E0 E 0 0 VIN E = (3.0) Log-antilog konvertori su veoma tačni za jednosmerne signale i signale niskih učestanosti (greška 0,0%). Pošto su tačni za DC ulaz lako se mogu kalibrisati, jer se DC referenca koristi za upoređivanje. Glavni izvori statičkih grešaka su naponski i strujni ofseti operacionih pojačavača. Za velike krest faktore javlja se greška prilikom logaritmovanja zbog nelinearnosti tranzistora (ipak se greška uvećava za samo 5% za krest faktor 0). Dinamički opseg zavisi od nivoa signala. Za ulazni signal V pp =0 V, brzina operacionog pojačavača A ograničava propusni opseg na 500 khz i prouzrokuje grešku od % na svakih 50 khz. Za ulazni signal V pp =0 V prouzrokuje se greška od % na svakih 50 khz. Za manje vrednosti ulaznih signala propusni opseg se smanjuje zbog smanjenja struje kroz tranzistore QA i QB. Temperaturni drift ofseta i koeficijenta pojačanja i nestabilno napajanje su neznatni uzroci grešaka. Simetrična postavka log i anti-log tranzistora potpuno poništava uticaj temperaturno zavisnih parametara, KT/q i I ES, na grešku. Drift koeficijenta pojačanja je zato određen pre svega sa temperaturnim koeficijentom otpornika, koji iznosi 0 ppm/ C ili manje. Glavni uzrok drifta na izlaznom delu kola su drift ofseta (naponskog i strujnog) izlaznog pojačavača A4 i pojačavača u povratnoj sprezi A3. Ulazni ofset je mv ili manje, a ulazni drift je oko 0 μv/ C. Na slici 3.8. prikazana je greška log-antilog konvertora u zavisnosti od frekvencije za različite vrednosti spoljašnje kapacitivnosti i amplitude ulaznog signala (sinusnog oblika). Povećanjem kapacitivnosti kola za usrednjavanje proširuje se propusni opseg kola, odnosno smanjuje se donja granica propusnog opsega. Sa slike se takođe vidi da se greška povećava sa povećanjem ulaznog signala zbog nelinearnosti tranzistora. Na slici 3.9. prikazan je napon u zavisnosti od vremena za niske frekvencije ulaznog signala.

16 Slika 3.8. Srednja greška konvertora efektivne vrednosti 440J u funkciji amplitude i frekvencije ulaznog sinusnog signala i spoljašnje kapacitivnosti Slika 3.9. Ripl i srednja (prosečna) komponenta greške konvertora efektivne vrednosti na niskim frekvencijama Sa slike se vidi da pored greške koja postoji kada se posmatra srednja vrednost izlaznog signala, postoji i naizmenična komponenta greške (ripl) dvostruke frekvencije. Obe ove greške su posledica konačne vremenske konstante integratora.

17 4. PROJEKAT I RAZVOJ INSTRUMENTA Radi boljeg razumevanja i lakšeg dimenzionisanja pojedinih delova instrumenta za merenje pravih efektivnih vrednosti nacrtan je blok dijagram prikazan na slici 4.. Uopšteno gledano instrument čine ulazni deo, merni deo i napajanje. Slika 4.. Blok dijagram instrumenta 4.. Ulazni deo Ulazni deo čine naponska i strujna električna kola. Pošto je potrebno meriti napon od 0 V do 500 V isti se mora transformisati na pogodnu vrednost koja se može meriti elektronskim komponentama koje čine merni deo. S obzirom na izabrani konvertor efektivne vrednosti u jednosmerni napon (AD736) taj napon mora biti u granicama od 0 mv do 00 mv. Za ovu aplikaciju optimalno rešenje je otpornički delitelj napona. Visoki naponi (0 V, 00 V i 500 V) se transformišu u vrednost od 00 mv. Radi temperaturne stabilnosti za otpornički delitelj napona biraju se precizni metalslojni otpornici snage 0,6 W, tolerancije 0,%, temperaturnog koeficijenta TK=5 ppm/k i nazivnog napona 350 V. Kao i napon, tako i struja (od 0 A do 0 A) mora da se transformiše u napon od 0 mv do 00 mv. Transformacija intenziteta struje može se ostvariti pomoću preciznog i temperaturno stabilnog specijalno oblikovanog otpornika (šanta) ili pomoću specijalnog strujnog mernog transformatora. Za realizovani instrument izabran je precizni strujni merni transformator zbog niže cene i manjeg gabarita s jedne strane i tačnijeg merenja struje s druge strane. Specijalni 3

18 otpornici (šantovi) vremenom stare i menjaju svoju otpornost, a imaju i veći temperaturni drift od transformatora. Jednom određen odnos transformacije (broj navojaka u primaru i sekundaru) se vremenski ne menja. Strujnim opsezima 00 ma, 000 ma i 0 A odgovara broj navojaka u primaru respektivno 00, 0 i navojak. Sekundarni namotaj čini 500 navojaka tako da pri punoj primarnoj struji sekundarna struja iznosi 8 ma. Odnos transformacije je I /I =N /N to jest 00mA/8mA=500nav./00nav.=5. Da bi se sekundarna struja od 8 ma transformisala u napon efektivne vrednosti 00 mv sekundarni namotaj se mora zatvoriti otpornikom od 5 Ω koji se proračunava iz sledeće jednakosti: R I =0, V R=0,V/8mA=5 Ω Snaga otpornika, što ujedno čini i opterećenje strujnog mernog transformatora, je: P=R I =5Ω (8mA) =,6 mw Optimalni režim rada strujnog mernog transformatora postiže se kada je sekundarni namotaj u kratkom spoju to jest opterećenje praktično jednako nuli. Amplitudna i fazna greška transformatora je tada najmanja. Četvoropolni preklopnik PR omogućava izbor mernog opsega, postavljanje decimalne tačke na displeju radi udobnijeg očitavanja merene vrednosti i uključivanje led dioda koje signališu jedinicu merene veličine. Pomoću trostrukog prekidača SW3 bira se funkcija instrumenta. Kompletna šema ulaznog dela prikazana je u prilogu na slici Merni deo Ovaj deo čine: zaštita, konvertor efektivne vrednosti u jednosmerni napon AD736, operacioni pojačavač OP77, analogno-digitalni konvertor ICL735, izvor referentnog napona TL43, oscilator NE555, BCD-7 segmentni dekoder/drajver SN74LS47 i displej. Zaštitu čine otpornik 47 kω, W i dve brze silicijumske diode BA58 (DO-4), 600 V, A, 300 ns, koje štite merni deo od prenapona većih i jednakih 5 V pozitivnog i negativnog polariteta Konvertor efektivne vrednosti u jednosmerni napon Za preslikavanje prave efektivne vrednosti naizmeničnog analognog signala u vrednost jednosmernog napona upotrebiće se visoko integrisano analogno kolo AD736KN (True RMS to DC converter). Za njegovu primenu sam se opredelio zbog niske cene, malog gabarita (plastično kućište DIP8), solidne tačnosti (ima relativno malu grešku tipično ±0,mV ±0,% od očitane vrednosti), može meriti ulazne signale sa krest faktorom do 5 i rasprostranjenosti na tržištu (lako ga je nabaviti). Takođe ovo kolo odlikuje i mala potrošnja od mw (što ga čini pogodnim za aplikacije sa baterijskim napajanjem), mali broj komponenti u spoljnoj konfiguraciji, i to što nema eksternog podešavanja osim ofseta. Ostale karakteristike kola AD736 su: - proračunava: pravu efektivnu vrednost, srednju ispravljenu vrednost i apsolutnu vrednost, - širok opseg napajanja: od +,8 V, -3, V do ±6,5 V, 4

19 - mala potrošnja: 00 μa ( mw=5 V 00 μa), - mala ulazna polarizujuća struja: 5 pa maksimalno, i - velika ulazna impedansa: 0 Ω Funkcionalni blok dijagram sa eksternim komponentama prikazan je na slici 4.. Slika 4.. Funkcionalni blok dijagram AD736 Vidi se da ima pet funkcionalnih celina: ulazni pojačavač, precizni punotalasni ispravljač (FWR), RMS jezgro, izlazni pojačavač koji ujedno i rasterećuje RMS jezgro, i kola polarizujuće struje (Bias section). FET ulazno pojačalo ima veliku ulaznu impedansu 0 Ω (Pin ) i relativno malu ulaznu polarizujuću struju (I B <0 pa). U eksternoj konfiguraciji ima kondenzatore C AV =33 μf, C F =0 μf i C C =0 μf, zatim otpornik od 39 MΩ i trim potenciometar od MΩ (sa 0 obrtaja) za trimovanje razdešenosti ulaznog napona (Input offset voltage). To je napon koji treba dovesti između invertujućeg i neinvertujućeg ulaza izlaznog pojačavača da bi izlazni napon bio jednak nuli. Za merenje jednosmernih signala kondenzator C C nije potreban ali se Pin spaja sa Pin 5. Usrednjavajući (integracioni) kondenzator C AV tokom RMS proračuna zadržava ispravljeni ulazni signal, tako da njegova vrednost direktno utiče na tačnost RMS merenja, naročito pri niskim frekvencijama. Za merenje signala sa većim izobličenjem (veliki krest faktor) potreban je veći kapacitet kondenzatora C AV jer će merenje biti sa manjom greškom. Međutim problem je što sa smanjenjem ulaznog signala vreme integracije odnosno vremenska konstanta kondenzatora eksponencijalno raste. Ovo znači da se, dok ulazni nivo opada, greške smanjuju usled neidealnog usrednjavanja, a da se vreme potrebno za smirivanje kola do novog RMS nivoa povećava. Zbog toga se kod izbora vrednosti za C AV mora naći optimalni odnos između greške merenja i vremena smirivanja. 5

20 Izlazni napon iz AD736 pored DC komponente sadrži i AC komponentu čija amplituda zavisi od integracionog kondenzatora C AV i frekvencije ulaznog napona (veća frekvencija - manja amplituda). Da bi se smanjila AC komponenta potrebno je ugraditi filterski kondenzator C F. Kod izbora njegove vrednosti takođe se mora voditi računa o vremenskoj konstanti zbog vremena smirivanja Pojačavač Konvertor efektivne vrednosti u jednosmerni napon (AD736) na svom izlazu daje napon od 0 V do 0, V. Vrednost ovog napona se mora pojačati 0 puta jer je pun naponski opseg analogno-digitalnog konvertora (ICL735) V. Za tu namenu upotrebiće se precizni bipolarni instrumentacioni operacioni pojačavač OP77G sa vrlo malim naponskim ofsetom 60 μv maksimalno i driftom, μv/ C. Ulazna polarizujuća struja je I B =,8 na, frekventni opseg 0,6 MHz, brzina prebacivanja (Slew rate) 0,3 V/μs, struja napajanja ma i ulazna impedansa R INCM =00 GΩ. OP77 je vezan kao neinvertujući pojačavač sa pojačanjem A=0. Otpornici su metalslojni, tolerancije 0,%, snage 0,6 W i temperaturnog koeficijenta TK=5 ppm/k. Ofset se trimuje spoljnim trimerom. Ovaj operacioni pojačavač na ulazu ima redne otpornike od 500 Ω i diode koje ulaz štite od previsokog napona. Diferencijalni napon na ulazu može biti do ±30 V, a ako napon premaši tu vrednost diode će provesti struju koja na otpornicima izaziva pad napona Analogno-digitalni pretvarač (A/D konvertor) Za konverziju analognog signala u digitalni upotrebljeno je integrisano kolo ICL735CN. To je pretvarač sa dvojnim nagibom, veoma precizan i linearan, ima četiri i po cifre (4 /) što znači da peta cifra (cifra najveće težine) može biti samo. Ulazni napon pune skale (punog opsega) iznosi V a na displeju se prikazuje maksimalna vrednost od 0000 (odnosno 9999). Maksimalna rezolucija ovog konvertora iznosi /0000 odnosno 00 μv i to je vrednost bita najmanje težine (LSB) a ujedno i greška u konverziji (± LSB ili ±0,0 %). Ima diferencijalni ulaz sa velikom ulaznom impedansom, automatsko određivanje polariteta ulaznog jednosmernog napona, automatsko podešavanje nule, drift nule od 0,5 μv/ C i praktično idealnu diferencijalnu linearnost. Multipleksirani BCD izlazi i digitalni izlazi omogućavaju lako povezivanje sa displej drajverima. Pogodan je i za primenu u složenijim sistemima sa mikroprocesorima jer ima i digitalne izlaze: RUN/HOLD - za upravljanje konverzijom, BUSY - za prikaz statusa konverzije, STROBE - za lečovanje BCD podatka, OVERRANGE - za prekoračenje opsega i UNDERRANGE - za podkoračenje opsega. Integrisano kolo ICL735 je podeljeno na analogni deo (prikazan na slici 4.3.), digitalni deo i deo sa komponentama u spoljnoj konfiguraciji. Analogni deo sadrži analogni ulazni bafer, integrator i komparator. Digitalni deo sadrži brojače, ulazno-izlazne interfejse i kontrolnu logiku koja kontroliše trajanje svakog mernog ciklusa. Deo sa komponentama čine kondenzatori (C INT, C AZ i C REF ), otpornici (R INT i R ), referenca sa svojom konfiguracijom i oscilator. 6

21 Slika 4.3. Analogni deo kola ICL735 Svako merenje je podeljeno na četiri faze: automatsko podešavanje nule (AZ faza), integraljenje signala (INT faza), deintegraljenje izvora referentnog napona (DE faza) i nula integratora (ZI faza). Digitalni deo kontroliše rad analognog dela tokom svake od ovih faza, koristeći brojače i stanje komparatora, kako bi odredio trenutak u kome startuje svaku od četiri faze. Vrednost integracionog otpornika izračunava se prema izrazu: pun _ opseg _ ulaznog _ napona V RINT = = = 00kΩ (4.) I BAF 0μA Dobra linearnost se dobija kada je vrednost ovog otpornika određena tako da je maksimalna struja na izlazu iz bafera (I BAF ) u granicama od 5 μa do 40 μa. Na osnovu preporuke proizvođača integrisanog kola uzeta je vrednost I BAF =0 μa. Maksimalna promena napona na izlazu integratora tokom integracione faze može se izračunati kao: V I T INT INT SWING = CINT C I T INT INT INT = (4.) VSWING gde je R INT =00 kω, I INT =0 μa i T INT =0000 perioda takt signala. Frekvencija takt signala je 00 khz tako da je: T INT = ,0ms = 00ms (4.3) Promenu napona na izlazu integratora treba odrediti tako da ne dođe do zasićenja na izlazu integratora. Da bi se postigla bolja linearnost uzima se da odstupanje ne bude manje od V od vrednosti svakog napona napajanja. Za napajanje od ±5 V optimum za V SWING je od ±3,5 V do ±4 V. 7

22 Vrednost integracionog kondenzatora biće: 0μA 00ms 6 C INT = = 0,5 0 F (4.4) 4V Usvaja se standardna vrednost za C INT =0,47 μf. Radi što manje greške i linearnosti integracije za C INT je odabran kondenzator sa dielektrikom od polipropilenske folije. Odlikuje se malim gubicima sa malom dielektričnom apsorpcijom. Pogodni su za primenu u kolima visoke frekvencije. Kondenzator C AZ utiče samo na brzinu postavljanja ili povratka iz stanja prekoračenja tako da se mogu koristiti gotovo svi tipovi kondenzatora. Dielektrična apsorbcija C REF je retko kritična. Potrebna je samo u sistemima u kojima je potrebno kratko vreme postavljanja. Kondenzatori od poliestera i polistirena mogu se koristiti u većini aplikacija. Otpornik za dobijanje prednapona na komparatoru R =7 Ω (Speedup Resistor) vezan je na red sa C INT i povećava napon na C INT za oko 500 μv. Ovaj napon omogućava da se prolazak kroz nulu desi ranije nego što bi se desio da nema ovog otpornika. Efekat ranijeg prolaska kroz nulu je u tome da se komparatoru obezbedi OVERRANGE napon, čime se ubrzava njegov odziv i smanjuje greška konverzije proporcionalna kašnjenju komparatora. Analogna i digitalna masa su razdvojene, tako da povratne struje iz digitalnih ulaza ne bi tekle kroz linije analogne mase. Obe mase su međusobno spojene samo u jednoj tački i to na samom izvoru napajanja Izvor referentnog napona Analogno-digitalni konvertor ICL735 zahteva precizan i stabilan referentni napon. Za pun merni opseg od 0000 podeoka (jedinica) potrebno je da referentni napon bude V jer je V ul = V ref. Referentni napon se dovodi na pin i analognu masu kola ICL735. Za izvor referentnog napona odabrana je programabilna precizna referenca TL43CLP (Adjustable Precision Shunt Regulator). Spakovana je u plastično kućište TO-9 sa tri pina (anodom, katodom i referentnim izlaznim naponom V ref ), ima komercijalni temperaturni opseg od 0 C do +70 C i niski temperaturni koeficijent od 50 ppm/ C. Izlazni referentni napon može se programirati u opsegu od,5 V do 36 V pomoću dva eksterna otpornika. Kod realizovanog instrumenta V ref =,5 V se dobija iz stabilnog napona napajanja od +5 V. Sa otporničkim trimer potenciometrom (P3) V ref =,5 V se deli na tačno,000 V Oscilator Izvor takt signala treba da je stabilan tokom trajanja konverzije. Frekvencija takta se bira tako da se dobije željena brzina konverzije i da se dobije maksimalno slabljenje naizmeničnih komponenti od kojih je najizraženija komponenta koja ima učestanost mrežnog napona. Brzina konverzije direktno je proporcionalna učestanosti takta i svaka konverzija traje 4000 perioda. Da bi se dobio maksimum slabljenja komponente na mrežnoj učestanosti trajanje INT faze treba da bude celobrojni umnožak mrežne učestanosti. 8

23 Za izvor takt signala koristi se precizni tajmer NE555 (slika 4.4.). Sa ovim integrisanim kolom mogu se vrlo jednostavno realizovati astabilni i monostabilni multivibratori. Vreme trajanja periode može biti od μs do h. Izlazna struja može biti maksimalno do 00 ma. U ovoj aplikaciji NE555 se koristi kao jednostavan astabilni multivibrator. Prema preporuci proizvođača kola ICL735 usvojeno je da frekvencija takt signala bude 00 khz. U spoljnoj konfiguraciji ima otpornike R, R i kondenzator C. Širina pozitivnog impulsa na izlaznom pinu 3 iznosi: T i =0,693 (R +R ) C, a širina pauze T p =0,693 R C. Ukupna perioda je T=T i +T p =0,693 (R +R ) C, a učestanost ponavljanja f=/t=,44/[(r +R ) C]. Usvojeno je C= nf i R =560 Ω, a R kada se izračuna iznosi 6,8 kω. Njemu na red je dodat trim potenciometar od 500 Ω kako bi se fino mogla podesiti učestanost na 00 khz. Kod ovog dimenzionisanja vodilo se računa da širina impulsa (T i ) i širina pauze (T p ) budu približno jednake. Slika 4.4. Oscilator NE BCD-sedmosegmentni dekoder/drajver Četiri BCD (binarno kodirani decimalni broj) izlaza iz A/D konvertora ICL735 (pinovi 3, 4, 5 i 6) su logički signali takvi da BCD podatak, na sva četiri pina, odgovara tekućoj cifri. BCD podatak se simultano menja sa ivicama izlaza D do D5. Da bi se binarna informacija od 4 binarne cifre prevela u binarnu informaciju od 7 bita (zbog sedmosegmentnih LED indikatora decimalnih cifara) upotrebljeno je TTL digitalno kolo SN74LS47N (BCD to seven segment decoder/drivers) sa otvorenim kolektorom na izlazu kao direktni drajver LED indikatora. Ostale značajnije karakteristike ovog kola su: napon napajanja V CC =5 V, ulazni napon V ul =7 V, temperaturni opseg od 0 C do +70 C, struja kolektora u otvorenom stanju I O(on) =4 ma, napon kolektora u zatvorenom stanju V O(off) =5 V i tipična struja napajanja I CC =7 ma. BI (Blanking Input) ulaz mora biti u stanju logičke kada su odabrani decimalni brojevi od 0 do 9. Ako na BI ulaz dovedemo stanje logičke 0 svi segmenti su ugašeni bez obzira na logičke nivoe na ostalim ulazima. Kada su ulazi RBI, A, B, C i D u stanju logičke 0, a LT (Lamp Test) u stanju logičke, svi segmenti su ugašeni i RBO izlaz ide u stanje logičke 0. Ako je BI/RBO u stanju logičke, a LT u stanju logičke 0, svi segmenti su upaljeni Displej Digitalni izlazi iz A/D konvertora ICL735 od D do D5 (pinovi 0, 9, 8, 7 i ) su drajveri LED indikatora. Indikatori su sedmosegmentni LED displeji. Ima ih ukupno pet i svaki predstavlja po jednu cifru. Signali od D do D5 se stalno sekvencijalno generišu jedan za drugim. Signali od D do D4 imaju vrednost logičke jedinice u trajanju od 00 perioda takt 9

24 signala a D5 u trajanju od 0 perioda. Logička nula traje 800 perioda takt signala. Kada se desi OVERRANGE generisanje signala se zaustavlja i ostaje zaustavljeno do početka DE faze. Za više serija prekoračenja cifre na displeju blinkaju. Dekadni (decimalni) brojni sistem koristi 0 cifara (0 do 9) i osnova mu je N=0, a binarni brojni sistem koristi cifre (0 i ) i osnova mu je N=. Sedmosegmentni sistem (cifre 0 do 9) koristi deset grupa od po 7 binarnih cifara, pri čemu svaka takva grupa binarnih cifara predstavlja jednu sedmosegmentnu cifru. Ovaj sedmosegmentni brojni sistem je nastao iz čisto tehnoloških razloga, da bi se decimalne cifre (0 do 9) prikazale pomoću indikatora sa LED diodama koje emituju svetlost. Jedan takav indikator prikazan je na slici 4.5. i sastoji se od sedam segmenata označenih slovima a, b, c, d, e, f i g. Palenjem (svetlenjem) pojedinih segmenata ovog indikatora obrazuju se cifre u decimalnom brojnom sistemu. Slika 4.5. Sedmosegmentni LED displej (indikator) Sedmosegmentni indikatori sa LED diodama se proizvode u dve varijante: sa zajedničkom anodom i sa zajedničkom katodom. Kod indikatora sa zajedničkom anodom, sve anode LED dioda su paralelno vezane, dok su katode odvojene i obeležene sa a, b, c, d, e, f i g. Da bi neki segment svetleo, potrebno je da se na njegovu katodu dovede napon od 0 V što odgovara stanju logičke 0. Kod indikatora sa zajedničkom katodom, sve katode LED dioda su paralelno vezane, dok su anode odvojene i obeležene sa a, b, c, d, e, f i g. Da bi neki segment svetleo, potrebno je da se na njegovu anodu dovede napon od +3 V što odgovara stanju logičke. Za projektovani instrument upotrebljeno je 5 sedmosegmentnih LED indikatora sa zajedničkom anodom. Visina cifara je 3 mm, potrošnja po segmentu je ma, crvene su boje Napajanje instrumenta Napajanje instrumenta je iz električne mreže 30 V, 50 Hz. Ovaj mrežni napon se pomoću transformatora TR tip EI30/,5, nazivne snage,5 VA, transformiše u 9 V. Ovaj napon se pomoću diodnog mosta (Grec-a) B40C000 punovalno usmerava, zatim filtrira i dovodi na stabilizator napona L7805CV. Na njegovom izlazu dobija se stabilnih +5 V. Za napajanje AD736, OP77 i ICL735 potreban je i stabilan napon od -5 V, koji se opterećuje maksimalno do 6 ma. Optimalno rešenje po ceni i gabaritu je primena integrisanog kola TC7660CPA (Charge pump DC to DC voltage converter). To je konvertor pozitivnog jednosmernog napona u negativni jednosmerni napon sa svega dva elektrolitička kondenzatora od 0 μf u spoljnoj konfiguraciji. Kada se saberu potrošnje led displeja (izabrani su indikatori sa malom potrošnjom od svega ma do ma po segmentu), LED dioda ( ma) i integrisanih kola sledi da je ukupno opterećenje izvora svega oko 80 ma. Zbog toga stabilizator napona L7805CV nije potrebno montirati na hladnjak. Kompletna šema izvora za napajanje elektronike data je u prilogu na slici 9.. 0

25 5. LABORATORIJSKO ISPITIVANJE I ETALONIRANJE REALIZOVANOG INSTRUMENTA 5.. Postupak metrološkog ispitivanja Dve najčešće primenjivane metode etaloniranja su metoda poređenja sa referentnim etalonom i metoda kalibratora. Metoda poređenja sa referentnim etalonom zahteva stabilisani naponski odnosno strujni izvor i referentni etalon voltmetar odnosno ampermetar koji moraju imati 4 do 5 puta manju grešku od ispitivanog merila. Na stabilisani izvor priključeni su referentni napon i ispitivano merilo na kojima se istovremeno očitavaju izmerene vrednosti napona ili struje i zapisuju na odgovarajući obrazac. Metoda kalibratora zahteva stabilisani izvor (kalibrator) koji precizno generiše zadate vrednosti napona ili struje. Priključivanje ispitivanog merila i zadavanje izabrane tačne vrednosti vrši se u skladu sa uputstvom proizvođača kalibratora. Pri ispitivanju digitalnih instrumenata merne tačke se biraju prema naznačenim opsezima merenja na ispitivanom instrumentu tako što se izabere od 3 do 5 tačaka unutar vrednosti od 0% do 90% izabranog mernog opsega. Unutar ovako izabranog opsega nalaze se i preporučene merne tačke iz dokumenta EA-0/5. Pre početka merenja potrebno je izvršiti podešavanje nule instrumenta (ofset) za svaki merni opseg. U slučaju da ne postoji opcija podešavanja ofseta na instrumentu, tačku nula (0 V ili 0 A) obavezno treba uvrstiti u merne tačke. Tačka 0% od punog opsega odnosi se na sami početak mernog opsega, pri čemu može da se odabere i merna tačka manja od tačke 0%. Tačka 90% od opsega reprezentuje ustvari punu vrednost opsega a njena stvarna vrednost se može izabrati tako da ima vrednost između 90% i 99% od punog opsega. Uslovi ambijenta potrebni za etaloniranje su: temperatura 3 C ± 5 C i vlažnost: 50 % ± 0 %. Ispitivano merilo i oprema koja se koristi za etaloniranje treba da bude pod referentnim uslovima ambijenta najmanje 3 sata pre procedure etaloniranja. Referentni etaloni treba da budu priključeni na napajanje najmanje sat pre početka merenja. Ispitivani instrument se priključuje na napajanje (električnu mrežu ili bateriju) najmanje 5 minuta pre početka etaloniranja. Od navedenih uslova za etaloniranje može se odstupiti ako proizvođač instrumenta koji se etalonira preporuči drugačije uslove.

26 5.. Kalibracija Pre finalnog ispitivanja izvršeno je podešavanje mernih opsega instrumenta metodom poređenja. Za referentni etalon korišćen je digitalni True RMS multimetar FLUKE sa 4 ½ cifre, model 8060A. Redosled kalibracije:. Merni opseg 0V Prvo je podešena nula, zatim je na referentnom etalonu podešeno 9 V, a na ispitivanom instrumentu pomoću trim potenciometra P6 takođe podešeno pokazivanje od 9 V.. Merni opseg 00V Prvo je proverena nula, zatim je na referentnom etalonu podešeno 99 V i sa trim potenciometrom P7 na ispitivanom instrumentu podešeno pokazivanje od 99 V. 3. Merni opseg 500V Prvo je proverena nula, zatim je na referentnom etalonu podešeno 499 V i sa trim potenciometrom P8 na ispitivanom instrumentu podešeno pokazivanje od 499 V. 4. Merni opseg 00mA Prvo je proverena nula, zatim je na referentnom etalonu podešeno 99 ma i sa trim potenciometrom P5 na ispitivanom instrumentu podešeno pokazivanje od 99 ma. 5. Merni opsezi A i 0A Na ovim mernim opsezima proverena je samo jedna tačka da bi se utvrdilo da slučajno nema greške u broju navojaka na primaru strujnog mernog transformatora TR. Greška ovog transformatora je ista na sva 3 merna opsega jer ima isti broj AN (ampernavojaka) i isto opterećenje na sekundaru. Operacije pod,, 3 i 4 su više puta ponavljane kako bi merni opsezi bili optimalno podešeni Ispitivanje Realizovani elektronski instrument za merenje pravih efektivnih vrednosti ispitan je i finalno podešen u Elektrotehničkom institutu Nikola Tesla u akreditovanoj metrološkoj laboratoriji za ispitivanje i etaloniranje. Za kalibraciju instrumenta korišćena je sledeća oprema: ) AC-DC Calibrator, Model 89M, RFL ) AC-DC Current Calibrator, Model 500EP, VALHALLA SCIENTIFIC 3) Digital Multimeter, Model 000, 6 ½-digit, KEITHLEY 4) Digital Multimeter, Model 89, 4 ½-digit, FLUKE Rezultati ispitivanja prikazani su tabelarno i grafički.

27 5.3.. Merenje naizmeničnih napona. Merni opseg 0V Ref.vrednost Mer.vrednost Aps.greška Rel.greška Rel.greška (FS) UT UM ΔG=UM-UT Grel=00*ΔG/UT Gfs=00*ΔG/MO [V] [V] [V] [%] [%] Gfs [%] Referentni napon Ut [V]. Merni opseg 00V Ref.vrednost Mer.vrednost Aps.greška Rel.greška Rel.greška (FS) UT UM ΔG=UM-UT Grel=00*ΔG/UT Gfs=00*ΔG/MO [V] [V] [V] [%] [%]

28 Gfs [%] Referentni napon Ut [V] 3. Merni opseg 500V Ref.vrednost Mer.vrednost Aps.greška Rel.greška Rel.greška (FS) UT UM ΔG=UM-UT Grel=00*ΔG/UT Gfs=00*ΔG/MO [V] [V] [V] [%] [%] Gfs [%] Referentni napon Ut [V] 4

29 5.3.. Merenje naizmeničnih struja. Merni opseg 00mA Ref.vrednost Mer.vrednost Aps.greška Rel.greška Rel.greška (FS) IT IM ΔG=IM-IT Grel=00*ΔG/IT Gfs=00*ΔG/MO [ma] [ma] [ma] [%] [%] Gfs [%] Referentna struja It [ma]. Merni opseg 000mA Ref.vrednost Mer.vrednost Aps.greška Rel.greška Rel.greška (FS) IT IM ΔG=IM-IT Grel=00*ΔG/IT Gfs=00*ΔG/MO [ma] [ma] [ma] [%] [%]

30 Gfs [%] Referentna struja It [ma] 3. Merni opseg A (merni opseg instrumenta je 0A ali je kalibrator ograničen na A) Ref.vrednost Mer.vrednost Aps.greška Rel.greška Rel.greška (FS) IT IM ΔG=IM-IT Grel=00*ΔG/IT Gfs=00*ΔG/MO [A] [A] [A] [%] [%] Gfs [%] Referentna struja It [A] 6

31 5.4. Tehničke karakteristike instrumenta Na osnovu rezultata ispitivanja, ugrađenih komponenti i projekta mogu se deklarisati tehničke karakteristike realizovanog instrumenta. Napajanje:...električna mreža 30V +5%/-0%, 50Hz,,5VA Merni opseg, rezolucija i merna nesigurnost: Opseg Merni opseg Rezolucija Granica dozvoljene greške 0 V 0. V do V mv ± (0,5% U + 0 mv) 00 V V do V 0 mv ± (0,5% U + 0,05 V) 500 V.5 V do V 00 mv ± (0,5% U + 0, V) 00 ma ma do ma 0,0 ma ± (0,5% I + 0, ma) 000 ma 0 ma do ma 0, ma ± (0,5% I + ma) 0 A 0. A do A ma ± (0,5% I + 0 ma) Gde je: U vrednost merenog naizmeničnog električnog napona, i I vrednost merene naizmenične električne struje. Frekventni opseg: za napon: Hz do khz za struju: Hz do 400 Hz Specificirana metrološka svojstva se garantuju za temperaturni opseg ambijenta od +8 C do +8 C i krest faktor do 3. Za krest faktor 5 dodatna greška je,5% od opsega (00 mv). Temperaturna stabilnost: ppm/ C Radna temperatura:...od 0 C do +40 C Temperatura skladištenja:... od -0 C do +70 C Ulazna impedansa: za naponske opsege:... MΩ za strujne opsege: 00 ma:...0,9 Ω 000 ma:... 7,5 mω 0 A:... 4,8 mω Dimenzije (širina visina dubina):...5 mm 80 mm 40 mm Masa:...0,95 kg 7

32 6. ZAKLJUČAK Na osnovu projekta instrument je praktično realizovan sa planiranim komponentama. Prilikom podešavanja i puštanja u rad (korišćen je najniži naponski opseg od 0 V) uočeno je da se zadnje tri cifre posle decimalne tačke značajnije menjaju što je otežavalo očitavanje merenih vrednosti. Pokušaj povećanja kapaciteta kondenzatora C3, kao i vezivanja keramičkog kondenzatora od nf paralelno sa R4 nije dao pozitivan rezultat. Pokušaj vezivanja istog keramičkog kondenzatora između ulaza integrisanog kola AD736 (Pin ) i analogne mase takođe nije dao rezultat. Na kraju rezultat je dao keramički kondenzator od nf vezan na masu stabilizatora napona L7805 i masu električne mreže koja nema galvanskog spoja sa masama elektronike. Mana realizovanog instrumenta je što samo na opsegu od 0 V pri kratko spojenom ulazu ne daje nulu već pokazuje 0,009 V. Svi pokušaji da se to kompenzuje nisu dali rezultat, jer se onda poremete ostali merni opsezi. Pretpostavka je da je to posledica uticaja stranih polja jer je na tom opsegu najveća impedansa (0 kω) sa koje se skida mereni signal. Možda je u pitanju i parazitni kapacitet između primarnog i sekundarnog namotaja mrežnog transformatora TR jer nema elektrostatičkog štita koji se vezuje na masu električne mreže. Na osnovu dobijenih rezultata ispitivanja može se zaključiti da je isprojektovano i realizovano jedno kvalitetno merilo za merenje pravih efektivnih vrednosti naizmeničnih signala, pogotovu kada se imaju u vidu njegove tehničke karakteristike, cena izrade i male dimenzije. 8