3. MERACIE PREVODNÍKY ELEKTRICKÝCH VELIČÍN

3. MERACIE PREVODNÍKY ELEKRICKÝCH 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. Pasívne meracie prevodníky bočník, Hallova sonda, predradník a delič napätia, meracie transformátory prúdu a napätia, pasívny usmerňovač. 2. Aktívne meracie prevodníky meracie zosilňovače, aktívne usmerňovače, prevodníky pre meranie súčtu a násobenia elektrických veličín, ostatné aktívne prevodníky. 1 1

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. Obr.3.1a Bočník 200 A 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 2

I I A I b R A R b A Obr.3.1b Schéma zapojenia bočníka k ampérmetru Ak máme ampérmetrom s rozsahom I A merať prúd, ktorého hodnota môže byť až I, musíme k ampérmetru pripojiť bočník (obr.3.1b) s odporom R b = R A I I A I A kde R A R b je vnútorný odpor ampérmetra, je odpor bočníka. Oddelené bočníky majú vždy dva páry svoriek (napäťové a prúdové). Napäťové svorky podstatne znižujú vplyv prechodových odporov prívodných svoriek. 3 3

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 I x = N.I 2 a teda U = N R I x 2 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. ieto 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

Predradník a delič napätia 3. Meracie prevodníky elektrických veličín 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 U V merať napätie, ktorého hodnota môže byť až U, musíme k voltmetru pripojiť predradník s odporom R V V U V U R p R kde R V p = R V U U U V V 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

Meracie transformátory prúdu MP Meracie transformátory prúdu (MP) 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 MP je daný pomerom menovitého primárneho prúdu I 1N k jeho menovitému sekundárnemu prúdu I 2N K i = I I 1N 2N Nominálna hodnota prúdu na sekundárnej strane býva spravidla 5 A vo výnimočných prípadoch 1A, napr. K i = (100 / 5) A. 6 6

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

MP Schematická značka Schematické zapojenie meracích prístrojov k sekundárnemu vinutiu meracieho transformátora 8 8

Meracie transformátory napätia MN Meracie transformátory napätia (MN) sa používajú k zmene rozsahu voltmetrov a napäťových cievok wattmetrov v obvodoch striedavého prúdu. Primárne vinutie sa zaraďuje do obvodu paralelne. Prevod MN je daný pomerom menovitého primárneho napätia U 1N k jeho menovitému sekundárnemu napätiu U 2N U1N K u = U 2N Primárne svorky meracieho transformátora napätia sa označujú veľkými písmenami M-N a zodpovedajúce sekundárne malými písmenami m-n. 9 9

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

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

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. RUE 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

3.2 Aktívne meracie prevodníky Meracie zosilňovače 3. Meracie prevodníky elektrických veličín 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

Aktívne meracie usmerňovače Zapojením pasívneho usmerňovača do spätnej väzby operačného zosilňovača je možné dosiahnuť prakticky dokonalú lineárnu charakteristiku usmerňovača. ieto 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. Dvojcestný + presný usmerňovač používa U/ - I zosilňovač a v jeho spätnej väzbe je dvojcestný pasívny u 1 usmerňovač. i 2 Prevodová charakteristika je prakticky lineárna, Rpretože sa 1 obvod voči usmerňovaču správa ako zdroj prúdu. u 1 R 1 a) b) c) i 2 + - i 2 0 14 u 1 14

Prevodníky pre meranie súčtu a násobenia elektrických veličín 3. Meracie prevodníky 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. R 1 I 1 R 1 R 2 I 2 R U 1 U 2 U n R 1 I - + U o I n I - + U o a) b) V súčasnosti sa používajú aktívne sčítacie obvody, ktoré používajú operačné zosilňovače 15 15

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). ieto obvody sa nazývajú taktiež DM (z angl. time division multiplier) a vo wattmetroch sa používajú ako prevodník strednej hodnoty súčinu na jednosmerné napätie U o podľa vzťahu U o = k 1 0 u 1 ( t) u ( t) 2 d t 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, ktorej činiteľ plnenia závisí na vstupnom napätí u 1 (t) a výška impulzu je úmerná vstupnému napätiu u 2 (t). 16 16

1 2 u H c 2 U 2 U 1 u Š u A ŠM AM DP U 2 U o U o -c 2 U 2 0 t a) b) ŠM - šírkový modulátor, AM - amplitúdový modulátor, DP - dolnofrekvenčná priepusť) Jednosmerná zložka výstupného napätia sa potom určí U o 1 1 = 1 u A ( t) d t ( c2u 21 c2u 22 ) c2u 2 = = 0 2 1 2 Šírkový modulátor ŠM mení činiteľ plnenia podľa vzťahu = c1u1 takže jednosmerná zložka výstupného napätia je napokon rovná U = c o U 1 U 2 17 17

Ostatné prevodníky elektrických veličín Prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty na jednosmerné napätie (RUE RMS converter): Výpočtové prevodníky skutočnej efektívnej hodnoty používajú pre nájdenie efektívnej hodnoty analógový výpočet podľa matematickej definície U ef = 1 2 u ( t) dt 0 epelné 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. Q = R I 2 = ( t) 2 R i d t 0 18 18

Prevodníky maximálnej hodnoty na jednosmerné napätie: D u U 1m u d u 1 (t) C R C R Z u d u 1 (t) ωt a) b) Jednosmerná zložka výstupného napätia U d je približne rovná maximálnej hodnoty vstupného napätia U 1m 19 19