PTE-PMMFK-Villamos Intézet Méréstechnika 1. Tartalomjegyzék- 1.oldal. Tartalomjegyzék

Átírás

1 PTE-PMMFK-Villamos Intézet Méréstechnika 1. Tartalomjegyzék- 1.oldal Tartalomjegyzék 1.fejezet - Bevezetés 1.1. A mérés fogalma, feladata A mért mennyiség, mérési módszerek A mérési pontosság A villamos jelek tulajdonságai fejezet - Közvetlen működésű mutatós villamos műszerek 2.1. Meghatározás, működési alapelv, osztályozás A mutatós műszerek általános jellemzői Statikus és dinamikus karakterisztika Méréshatár, műszerállandó, érzékenység Pontossági osztály, referencia-feltételek Fogyasztás Terhelhetőség A mutatós műszerek közös szerkezeti elemei, hibaforrásai Csapágyazás, visszatérítő nyomaték képzése, árambevezetés Csillapító szerkezet Értékmutató szerkezet Műszertok...13 Ellenőrző kérdések fejezet - A mutatós villamos műszerek és alkalmazásuk 3.1. A lengőtekercses műszer A lengőtekercses műszer felépítése, működése, hibaforrásai A lengőtekercses mérőmű alkalmazása egyenáramon Lengőtekercses voltmérő Lengőtekercses ampermérő Lengőtekercses ellenállásmérő A lengőtekercses műszer alkalmazása váltóáramon Félvezető diódák tulajdonságai Egyenirányítós lengőtekercses voltmérő Egyenirányítós lengőtekercses ampermérő Az egyenirányítós műszerek tulajdonságai Univerzális műszerek Állandómágneses hányadosmérő Az állandómágneses hányadosmérő felépítése, működése Ellenállásmérés kereszttekercses hányadosmérővel Lágyvasas műszerek A lágyvasas műszer felépítése, működése...22

2 PTE-PMMFK-Villamos Intézet Méréstechnika 1. Tartalomjegyzék- 2.oldal Lágyvasas voltmérő Lágyvasas ampermérők Elektrodinamikus műszerek Az elektrodinamikus műszer felépítése, működése Elektrodinamikus voltmérő, ampermérő Elektrodinamikus wattmérő Elektrodinamikus meddőteljesítmény-mérő Elektrodinamikus hányadosmérő Elektrosztatikus műszerek Ikerfémes műszerek Rezgőnyelves frekvenciamérő...39 Ellenőrző kérdések fejezet - Regisztráló műszerek 4.1. A regisztráló műszerek általános jellemzői, osztályozásuk Lassan rajzoló műszerek Vonalírók Pontírók Gyorsan rajzoló regisztrálók...4 Ellenőrző kérdések fejezet - Fogyasztásmérők 5.1. Az indukciós mérőmű felépítése, működése Indukciós fogyasztásmérő...2 Ellenőrző kérdések fejezet - Mérőváltók 6.1. A transzformátor működési sajátosságai A feszültségváltó Az áramváltó A mérőváltók alkalmazása...4 Ellenőrző kérdések fejezet - Elektronikus műszerek 7.1. Elektronikus multiméter Mérőegyenirányítók Az analóg és a digitális mérés összehasonlítása Szelektív váltakozófeszültség-mérők Analóg oszcilloszkóp Digitális tárolóoszcilloszkóp...10

3 PTE-PMMFK-Villamos Intézet Méréstechnika 1. Tartalomjegyzék- 3.oldal 7.5. Hullámforma generátorok Digitális frekvencia és periódusidő mérő Stroboszkóp Az elektronikus műszerek használatának sajátosságai...16 Ellenőrző kérdések fejezet - A mérési pontosság tartásának módszerei 8.1. A mérési hibák csoportosítása Kalibrálás, hitelesítés A mérési hibakorlát meghatározása A közvetlenül mért érték hibakorlátja A mérési hibák halmozódása, a számított eredmények hibakorlátja A mérőműszerek tartozékai...8 Ellenőrző kérdések fejezet - Egyenáramú, egyfázisú váltakozóáramú mérések 9.1. Mérések egyenfeszültségről táplált áramkörökben Mérések egyenirányítók áramkörében Feszültség, áramerősség és teljesítmény mérése egyenirányítók körében Hullámforma vizsgálata egyenirányítók áramkörében Vezérelt egyenirányítók vezérlési jelleggörbéinek vizsgálata Mérések egyfázisú váltakozóáramú áramkörökben Teljesítmény és impedancia mérése szinuszos hullámforma esetén Egyfázisú váltakozóáramú szaggatók vizsgálata Átlagteljesítmény mérése fogyasztás és időtartam mérésével...11 Ellenőrző kérdések fejezet - Mérések háromfázisú váltakozóáramú áramkörökben A háromfázisú teljesítmény és fogyasztás mérésének általános kérdései A komplex teljesítmény értelmezése Teljesítmény és fogyasztás mérése háromvezetős háromfázisú rendszerben Mérés szimmetrikus hálózatban Mérés aszimmetrikus hálózatban Teljesítmény és fogyasztás mérése négyvezetős háromfázisú rendszerben Mérés szimmetrikus hálózatban Mérés aszimmetrikus hálózatban A fogyasztásmérők kapcsolásának sajátosságai Mérések háromfázisú egyenirányítók áramköreiben Mérések háromfázisú váltakozóáramú szaggatók áramköreiben Teljesítményviszonyok nemszínuszos áramú áramkörökben...22 Ellenőrző kérdések...24

4 PTE-PMMFK-Villamos Intézet Méréstechnika 1. Tartalomjegyzék- 4.oldal 11.fejezet - Mérőhidak Wheatstone-típusú hidak Kapcsolás, kiegyenlítési feltétel Hídérzékenység Áramkomparátoros és aránytranszformátoros hidak Egyenáramú és váltakozóáramú hidak építőelemei Ellenállásmérő hidak Wheatstone híd Thomson híd Induktivitásmérő hidak Maxwell-Wien híd Hay híd Owen híd A kölcsönös indukciós tényező mérése Kapacitásmérő hidak Schering híd Glynne híd Frekvenciamérő hidak Rezonanciahíd Wien-Robinson híd...29 Ellenőrző kérdések fejezet - Kompenzátorok 12.1 Egyenfeszültségű kompenzátorok Váltakozófeszültségű kompenzátorok Változó segédáramú kompenzátorok Állandó segédáramú kompenzátorok...2 Ellenőrző kérdések...7

5 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 1.Bevezetés 1.1. A mérés fogalma, feladata A mérés a természet jelenségeiről való ismeretek szerzésének egyik alapvető módszere. A mérés tervszerűen végrehajtott gyakorlati tevékenységek összessége, amelyekkel valamely fizikai vagy kémiai mennyiség nagyságának jellemzésére alkalmas, a választott mértékegységben kifejezett értéket kapunk. A mérésre vonatkozó ismeretek összességét metrológiának nevezzük. A méréstechnika a metrológiának a mérés gyakorlati megvalósításával foglalkozó része. Ez a tankönyv a méréstechnikának egy viszonylag szűk területével, az erősáramú technika alapvető mérési feladataival és eszközeivel foglalkozik. A mérés a kutatás, a termelés, az üzemeltetés nélkülözhetetlen eleme A mért mennyiség, mérési módszerek A mérés során a mért mennyiséget jellemző számérték meghatározása a célunk. Ehhez előzetesen rögzítenünk kell a számérték kifejezéséhez alapul vett mértékegységet. Az SI mértékegységrendszer használata 1976 óta hazánkban kötelező. A mérést mérőeszközökkel végezzük. A mérőeszközök a mértékek (pl. méterrúd, idomszerek) és a mérőműszerek (pl. ampermérő). Mindegyik eszközről a mérés során a mért mennyiség számértékét valamilyen módon le tudjuk olvasni. A számérték és a mértékegység szorzata adja a mért mennyiséget: mennyiség = számérték mértékegység A mérendő mennyiséghez tartozó számérték meghatározásának módja szerint analóg és digitális mérési módszerről beszélhetünk. Analóg mérési módszer: A mérendő mennyiségekhez folytonosan változó mennyiségeket rendelünk hozzá (pl. egy mutató szögelfordulása). Teljes szigorúsággal ez csak ideális esetben teljesül. Digitális mérési módszer: A módszer a mérendő mennyiségekhez egymástól adott lépésnagyságokkal különböző - kvantált - mennyiségeket rendel ( pl. egy számkijelző által mutatott számérték). Az analóg ill. a digitális mérési módra a súlymérés területéről vegyünk egy példát. A háztartási személymérlegeken ( ez lényegében rugós mérleg) egy folytonosan elforduló tárcsáról olvashatjuk le a súlyt jellemző számértéket, analóg mérési módról van szó. A patikamérleg ( emelőkaros, egyenlő karú mérleg) digitális mérési módot valósít meg, a lépésnagyságot a kiegyensúlyozáshoz

6 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal használt súlysorozat legkisebb súlyú tagja szabja meg. 1.3.A mérési pontosság Mérési eljárásaink a mérendő mennyiség valódi értékétől többé-kevésbé eltérnek, minden mérésnek van hibája. A pontosabb mérési módszer általában költségesebb, de több információt is ad a vizsgált jelenségről. Lényegében a szükséges információtartalom megszabja a mérés pontossági igényét, ezt meghaladó pontosságra való törekvés felesleges költség- és munkatöbbletet jelent. A mérés során nemcsak a mért mennyiség számértékét kell meghatároznunk, hanem sok esetben elemeznünk kell a kívánatos és a választott mérési módszerrel elérhető pontosságot. A méréskor megkívánt pontosságot jogszabályok, hatósági előírások rögzítik, különösen olyan esetekben, amikor a nem megfelelő pontosságú mérés biztonságtechnikai, élet- és vagyonvédelmi következményekkel járhat, vagy pénzügyi elszámolásban hozhat létre elfogadhatatlan körülményeket. A megfelelő pontosságú méréshez elsősorban alkalmasan megváltozott mérőeszközre van szükségünk, de ezen felül a mérési módszer és a mérés végrehajtásának körülményei is befolyásolják a mérési pontosságot. A méréssel beavatkoztunk a vizsgált folyamatba, hibás mérési módszerrel dolgozva a folyamat jelentős változását idézhetjük elő, ami mérési hibát is okoz. A vizsgált jelek és a mérőműszer működési sajátosságainak kölcsönhatásaként is keletkezhet mérési hiba. A mérési hiba, bizonytalanság kérdésére a mérőműszerek és alkalmazásuk tárgyalásakor rendszeresen visszatérünk A villamos jelek tulajdonságai Az időben változó villamos jeleket a következőképpen csoportosíthatjuk: - Determinisztikus jelek (1.-1. ábra) adott hibán belül reprodukálhatóak, bármely időpillanatban beálló értékük előre meghatározható (pl. az időfüggvényük felírható). - Sztochasztikus ( véletlenszerűen változó) jelek. Ebben a tankönyvben a szinuszos, a komplex periodikus és a tranziens villamos jelek vizsgálatának alapproblémáival foglalkozunk. Ezekről nyerhetünk információt, egy adott pillanatban vagy folyamatosan mérhetjük ezek - pillanatértékét, - valamilyen átlagértékét, - valamilyen egyéb jellemzőjét. Ha az elektrotechnikában egyenáramról esik szó, először időben állandó, "sima" egyenáramra gondolunk. A váltakozó áram fogalmához is a szinuszos lefolyású váltakozó áramot társítjuk. A hálózatainkban folyó áram formája pedig többnyire eltér az idealizálttól. Az egyenáramú, ill váltakozó áramú körökből vett egy-egy példával szemléltessük az elmondottakat.

7 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal ábra. A determinisztikus jelek osztályozása Az ábrán egy egyutas együtemű, kondenzátoros szűrésű egyenáramú tápegység kapcsolását, feszültségeinek és áramainak jellegzetes hullámformáit tüntettük fel ábra. Kondenzátoros szűrésű tápegység kapcsolása, feszültségeinek és áramainak hullámformája A működés sajátossága az, hogy a transzformátor szekunder tekercsén és a diódán csak akkor folyik áram, ha a transzformátor szekunder feszültségének pillanatértéke nagyobb, mint a

8 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal kondenzátor feszültségének pillanatértéke. Ettől eltérő esetekben az i 2 szekunder áram nulla, a kondenzátorban tárolt töltés sül ki a terhelő ellenálláson keresztül, a terhelésre jutó u t feszültség - és ezen folyó it áram - ebben a szakaszban exponenciális függvénnyel leírható módon csökken. A terhelésre jutó feszültség és áram hullámos, a transzformátor szekunder tekercsében folyó áram pedig impulzusszerű ábra. Egyfázisú, váltakozóáramú szaggató elvi kapcsolása, a feszültség hullámformája A ábrán egy egyfázisú, triakot tartalmazó váltakozó áramú szaggató kapcsolási vázlata, feszültségeinek hullámformája szerepel. A triak olyan vezérelhető félvezető kapcsoló, amely mindaddig szakadásként viselkedik az áramkörben, amíg a vezérlő elektródjára vezérlőfeszültséget nem adunk. Ekkor viszont vezetésbe lép ("begyújt") és marad mindaddig, amíg az áram nullára ( pontosabban egy igen kicsi értékre, az ún. tartóáramra) le nem csökken. A vezérlőkörrel a bekapcsolásnak a feszültség nullátmenetéhez viszonyított pillanatát, fázishelyzetét változtathatjuk, az α g gyújtáskésleltetési szöget. A bekapcsolás késleltetésének hatása az, hogy az u 2 feszültség csak a periódusidő egy részében kapcsolódik a terhelésre, a gyújtáskésleltetéssel a terhelésre jutó feszültség effektív értéke és ezzel a terhelés teljesítményfelvétele változtatható (csökkenthető). 180 o -ot megközelítő gyújtáskésleltetésnél a terhelésre jutó feszültség impulzusszerű. Az és ábrán látható áramkörökben egyaránt komplex periodikus feszültség - és áramjelekkel van dolgunk, a kettő közötti lényeges eltérés az, hogy a tápegység jeleinek van egyenáramú összetevője is, míg a váltakozó áramú szaggató jeleiben ilyen nincs. A komplex periodikus villamos jelek - azaz bármilyen nem szinuszos hullámformájú, de periodikus feszültség - vagy áramjel - előállítható általában egy egyenáramú jel és végtelen sok, különböző frekvenciájú, megfelelő amplitúdójú és fázishelyzetű szinuszos jel összegeként. A legkisebb frekvenciájú szinuszos összetevőt alapharmonikusnak nevezzük, a többit felharmonikusnak. A felharmonikusok frekvenciája az alapharmonikus frekvenciájának egészszámú többszöröse.

9 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal Gyakori eset, hogy a nemszinuszos jelek csak a páratlan rendszámú (sorszámú) felharmonikusokat tartalmazzák, ez vonatkozik pl. az ábra szerinti váltakozó áramú szaggató jelére is. Hálózati 50 Hz-es frekvenciájú feszültségről táplálva ezt a szaggatót, a kimenő feszültségben a harmadik (150 Hz), ötödik (250 Hz), hetedik (350 Hz), stb. felharmonikus jelenik meg. A nagyobb rendszámú felharmonikusok amplitúdója általában igen kicsi az alapharmonikusokhoz viszonyítva. A felharmonikustartalom helyett néhány egyszerűbb jellemző is megadható, amely utal a jel szabályostól eltérő mértékére. Hullámos egyenfeszültség vagy egyenáram váltakozó áramú összetevőjének (hullámosságának) a mérőszámát a jel szélső értékeinek és egyenáramú összetevőjének (egyszerű vagy más néven elektrolitikus középértékének) alapján a következő módon definiálhatjuk: max.érték - min. érték egyenáramú összetevő Az ábra szerinti feszültség váltakozó áramú összetevőjét például a következő módon számíthatnánk: Û t -Ŭ t U t Nemszinuszos váltakozó áramú jel felharmonikus tartalmát jellemző mérőszám a torzítási tényező (feszültségjelet feltételezve): U 2 k = 2 +U 2 3 +U U 2 k +... U 2 1 +U 2 2 +U 2 3 +U U 2 k +... ahol U 1 az alapharmonikus, U 2, U 3, U 4,... U k a felharmonikusok amplitúdójának effektív értéke. A torzítási tényező lényegében a felharmonikusok effektív értékének aránya a jel effektív értékéhez viszonyítva. Mind a hullámosság, mind a torzítási tényező áramjelekre is értelemszerűen is definiálható. Mindkét jellemzőt szokás %-ban kifejezve megadni. Bizonyos fokig jellemző a nemszinuszos jelek alakjára két másik mérőszám, a csúcstényező (k cs ) és a formatényező (k f ). k cs = csúcsérték effektív érték effektív érték k f = abszolút középérték Hullámos egyenfeszültség vagy áram esetén is értelmezhető az előző két mennyiség, csupán a formatényező értelmezése módosul: effektív érték k f = elektrolitikus középérték

10 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal ábra. Egyen- és váltakozóáramú jelek tulajdonságai Az ábrán néhány hullámforma sajátosságait foglaltuk össze. A sima egyenfeszültség (egyenáram) effektív értéke, középértéke és csúcsértéke megegyezik, a hullámos feszültség esetén viszont ezek az értékek már nem egyenlőek, a csúcstényező és a formatényező nagyobb 1-nél. A szimmetrikus négyszögjel tulajdonságai hasonlóak a sima egyenfeszültségéhez. A szinuszos jel tulajdonságai a legjobban ismertek. A váltakozó áramú szaggató kimenő feszültségére jellemző, hogy a csúcstényező is és a formatényező is nagyobb, mint a szinuszos jelé. Ilyen tulajdonságú még pl. a fűrészjel, a vasmagos tekercsek mágnesező áramának jele. A komplex periodikus jelek tulajdonságaival azért foglalkoztunk kissé behatóbban, mert a teljesítményelektronikai berendezések (pl. a vezérelt egyenirányítók, váltakozó áramú szaggatók) elterjedésével az ilyen jellegű jelek mérése egyre gyakrabban válik szükségessé, mérésük speciális feladatot jelent. A műszerek és mérési módszerek tárgyalása során esetenként megvizsgáljuk azt is, hogy milyen kérdéseket vet fel a komplex periodikus jelek mérése a szóban forgó esetben.

11 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 2. Közvetlen működésű mutatós villamos műszerek 2.1. Meghatározás, működési alapelv, osztályozás A villamos mennyiségek közvetlen mérésén olyan mérési módszereket értünk, amelyeknél a mérendő villamos mennyiség átalakítás nélkül hat a mérőműre (pl. a mérendő áram átfolyik a műszer valamelyik gerjesztőtekercsén), a mutató mechanikusan kapcsolódik a mérőműhöz és a mérőmű mozgatja azt. A mérőmű az álló- és mozgórészből áll. A mozgórész általában csapágyazott, elfordulásra képes. A műszerre adott villamos jel kitérítő forgatónyomatékot (M k ) hoz létre a mozgórészen. A mozgórészhez kapcsolódik még mechanikusan egy rugó, amely a mozgórész szögelfordulásával arányos és azzal ellentétes előjelű visszatérítő nyomatékot ad (M v ). A mozgórész szögelfordulása állandósult állapotban (a mérendő mennyiségnek a műszerre való rákapcsolását követő beállási folyamat lezajlása után) akkora lesz, hogy a kitérítő és visszatérítő nyomaték éppen egyensúlyt tart egymással, összegük nulla. M v = - α C r ahol M v a visszatérítő nyomaték, Nm α a szögelfordulás, radián C r a rugóállandó (rugóengedékenység), radián N -1 m -1 M k + M v =0, - M v = M k, α C r = M k α =C r M k Ennek eredményeként a mozgórész szögelfordulása arányos lesz a mérőmű kitérítő nyomatékával. A C r rugóengedékenység annál nagyobb, minél lágyabb a rugó. A mért mennyiséghez a műszer értékmutató szerkezete rendeli hozzá a számértéket, ez a műszer mozgórészével együtt elforduló mutatóból és a mutató mozgási síkjával párhuzamos skálalapból áll. A skálalapon találjuk meg az osztásjelekből és a megfelelő számozásból álló skálát. A mutató skála előtti helyzetéből ezek segítségével állapíthatjuk meg a mért mennyiség számértékét. A mutatós műszerek analóg mérési módot valósítanak meg. A leolvasás felbontóképessége olyan, hogy általában a mért mennyiség számértékének kétértékes számjegyét egyértelműen meg tudjuk állapítani, a harmadik számjegyet interpolálással becsülhetjük. A mutatós műszerek osztályozhatók a: - kitérítőnyomaték képzésének módja, - a mérendő mennyiség, - a kivitel, felhasználási cél, - a pontosság

12 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal szempontja szerint. A továbbiakban a kitérítő nyomaték képzésének módja szerinti osztályozási szempontot követve tárgyaljuk a mutatós műszereket és alkalmazásukat. A közvetlen működésű mutatós villamos műszerekkel kapcsolatos fogalommeghatározásokat, követelményeket az MSZ IEC 51-1 szabvány tartalmazza, ez az MSZ KGST 788 szerepét vette át. Régebbi gyártású műszerekben az MSZ 808-ra való utalás található A mutatós műszerek általános jellemzői Statikus és dinamikus karakterisztika A mutatós villamos műszer lényegében egy olyan jelátalakító, amelynek bemenő jele valamilyen villamos jel, kimenő jele szögelfordulás. A statikus karakterisztika a kimenő jel és a bemenő jel közötti kapcsolatot adja meg állandósult állapotban. Az állandósult állapot jellemzője az, hogy a bemenő jel állandó, a műszer mozgórészének a jel rákapcsolását követő mozgása lezajlott. A mutatós műszerek tipikus, ideális statikus karakterisztikáit a ábrán foglaltuk össze. Ha a bemenő jel feszültség vagy áram, a három bemutatott esetre vonatkozóan többnyire a következőket mondhatjuk el: ábra. Tipikus statikus karakterisztikák X bemenőjel; a kimenőjel (szögelfordulás); k állandó (vagy a-tól függö együttható) - arányos karakterisztika: a mérőműszer a bemenő jel egyszerű középértékével arányos szögelfordulást hoz létre; - abszolút értékkel arányos karakterisztika: a bemenő jel abszolút értékével arányos kitérést ad a

13 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal műszer; - négyzetes karakterisztika: a bemenő jel effektív értékével arányos szögelfordulás jön létre. A dinamikus karakterisztika arra ad tájékoztatást, hogy a bemeneti mennyiség változása a kimenő mennyiség változását miként befolyásolja. A mutatós műszerek esetében a legnagyobb jelentősége annak van, hogy a mérendő mennyiségnek a műszerre való rákapcsolását követően az állandósult kitérés milyen módon, mennyi idő múlva áll be. A mutatós műszer - a mozgórész inerciájával, a visszatérítő-rugóval és a mozgórésszel összekapcsolt csillapítószerkezettel együtt - lengőképes rendszert alkot. A ábrán bemutatjuk, hogy a csillapítás mértékétől függően milyen a mutatós műszer beállása ábra. Mutatós műszer beállása Az alulcsillapított műszer jelentős túllendüléssel, sok lengés után áll be a mért értékre, a túlcsillapított műszer lassan, kúszva áll be. Egyik eset sem túl kedvező, mert túl sokáig kell várakozni, míg a mutató a mért értéken megállapodik. A hazai szabvány olyan beállítási viszonyokat kíván meg a mutatós műszerektől, hogy a túllendülés ne haladja meg a skálahossz %-át, a beállási idő (válaszidő) ne legyen több 4 s-nál. Az 50 Hz-es hálózati frekvenciájú jelek a mérőműben lüktető nyomatékot hoznak létre. A műszer mozgórészének nem szabad követnie a nyomaték gyors (50 vagy 100 Hz frekvenciájú) lüktetését, hanem a nyomaték átlagértékének megfelelő kitérésen kell megállapodnia. A műszerek tervezése és gyártása során, a mozgórész lengésidejének és csillapításának összehangolt megválasztásával lehet eleget tenni ezeknek a követelményeknek.

14 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal Méréshatár, műszerállandó, érzékenység A mutatós műszerek méréshatára ( a mérési tartomány felső határa) a mérendő mennyiség azon értéke, amely a műszer mutatóját a skála utolsó osztásjeléig (végkitérésig) téríti ki. A műszerek több méréshatárra készülhetnek, egy skálával vagy méréshatáronként külön skálával. A skála nullpontja általában a skála egyik - többnyire bal oldali - végén van, de vannak olyan műszerek is, amelyeken a skálán kívülre kerül. Ezek a lenyomott nullapontú műszerek, nem jeleznek, amíg a mérendő mennyiség egy bizonyos érték alatt van. Használunk még ún. középállású műszereket, amelyek nullapontja a skála közepén van. A mérési eredmények rögzítésekor - különösen sorozatmérés esetén - ajánlatos azt az eljárást követni, hogy lejegyezzük a méréshatárt, a végkitéréshez tartozó számértéket (skálafokokban), az egyes mért eredményeknél a kitérést (skálafokokban). A mérési eredmények feldolgozása során először a műszerállandót határozzuk meg. A műszerállandó a mérendő mennyiségnek azon értéke, amelynek hatására a műszer mutatója egységnyi (egy skálafok nagyságú) kitérést végez. A műszerállandót (jelölése: C) a méréshatár és a végkitérés alapján lehet meghatározni: C = méréshatár végkitérés A műszerállandó méréshatáronként változó. Dimenzióval bíró mennyiségek feldolgozásakor a mért mennyiség számértékét (X) a műszerállandó (C) és a skálafokokban adott kitérés ( α ) szorzataként kapjuk: X =C α A mutatós műszerek érzékenysége (E) a mérendő mennyiség egységnyi változása következtében beálló kitérésváltozás: E = Δα Δ X A műszer statikus karakterisztikáját ábrázolva, egy adott pontban az érzékenységet a karakterisztika meredeksége adja meg. Az érzékenység is dimenziós mennyiség, ampermérő esetén a dimenzió A/. Arányos statikus karakterisztikájú műszereket szokás érzékenységgel jellemezni (pl.galvanométer) Pontossági osztály, referencia-feltételek A mérendő mennyiség valódi értéke ideális fogalom, tökéletes, hiba nélküli mérési módszerrel tudnánk meghatározni. A mennyiség helyes értéke a valódi értéket annyira megközelítő érték, hogy a kettő közötti különbséget figyelmen kívül lehet hagyni. A mérés abszolút hibája (H) a mért érték (X m ) és a helyes "pontos" érték (X p ) különbsége, a

15 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal mérendő mennyiséggel egyező dimenziójú mennyiség. Az abszolút hiba előjeles mennyiség, az előjele negatív, ha a mért mennyiség kisebb,mint a helyes érték. (Ne tévesszük össze az "abszolút hiba" és a "hiba abszolút értéke" fogalmakat.) H = X m - X p A relatív hiba (h) az abszolút hiba (H) és a helyes érték hányadosa, többnyire %-ban adjuk meg a számértékét: h= H X p = X m - X p X p A mutatós műszerek pontossági minősítésének, osztályozásának alapja a konvencionális értékre vonatkoztatott relatív hiba (h p ). Az MSZ IEC 51 szerint az osztályjeleket az sorozatból, ill. azok decimális többszöröseiből, és törtrészeiből kell kiválasztani. A konvencionális érték (X k ) a műszer pontosságának meghatározására való jellemző érték. A műszer pontossági osztályba a következő összefüggés alapján sorolható: h p (%) H max X k 100 Ez az egyenlőtlenség azt fejezi ki, hogy a műszer legnagyobb abszolút hibája abszolút értékének a konvencionális értékhez viszonyított aránya nem haladhatja meg a pontossági osztályra előírt értéket. A műszer pontossági osztályának a jelét a skálalapon mindig feltüntetik. A felső méréshatár a konvencionális érték például a következő esetekben: - a mechanikai nulla és/vagy a villamos nulla a skála egyik végén van (a mutatós műszerek többsége ilyen); - a mechanikai nulla skálán kívül van; - a villamos nulla a skálán kívül van (itt kivételek is adódnak); - a mutatós és rezgőnyelves frekvenciamérők esetében. A mérési tartomány két határa (alsó és felső méréshatár) abszolút értékének összege a konvencionális érték akkor, ha mind a mechanikai, mind a villamos nulla a skálán belül van. Az ún. középállású műszerek például ide tartoznak. Egyes esetekben a konvencionális érték a helyes érték. A skálalapon a pontossági osztály jele ilyenkor egy körbe foglalva jelenik meg, pl: 1.A konvencionális érték lehet még a skálahossz, vagy a mérési tartomány határán levő két érték különbsége. A műszerek mért értékét a környezeti fizikai hatások befolyásolják, megváltoztatják. A következő befolyásoló mennyiségek hatása jelentős lehet: környezeti hőmérséklet, használati helyzet, a műszer tájolása ( a föld mágneses teréhez képest), a külső mágneses és villamos tér, szerelőlap tulajdonságai ( kapcsolótáblába vagy készülékbe épített műszerek esetén), a váltakozóáramú jel frekvenciája és hullámalakja, az egyenáramú jel váltakozóáramú összetevője (hullámossága). Az egyes befolyásoló mennyiségek referenciaértéke, referenciatartománya az az érték, ill. tartomány, amelyben a műszer eleget tesz a hibára vonatkozó előírásoknak. Referenciafeltételek között dolgozik egy műszer, ha valamennyi befolyásoló mennyiség értéke a referenciaérték vagy a referenciatartományban van. Ha a referenciafeltételek nem teljesülnek, a mért érték megváltozására (régebbi szóhasználattal: járulékos hibára) számíthatunk.

16 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal A műszerek névleges használati tartománya az, amelyben a mért érték megváltozása (a járulékos hiba) nem haladja meg az előírt határokat. A névleges használati tartomány magába foglalja a referenciaértéket, ill. a -tartományt. A járulékos hiba megengedett határa sok esetben a referenciafeltételek melletti alaphibával azonos. Egy 0.5 pontossági osztályú műszerre például további 0.5 %-os járulékos hiba - összesen 1% - megengedett, ha a referenciaértéktől eltér, de még a névleges használati tartományban van a befolyásoló mennyiség. Készülnek műszerek a szabvány referenciatartományaitól eltérő referencia- és használati tartományokkal is. Ebben az esetben a műszer skálalapján feltüntetik a referencia- és használati tartományt. A Függelékben az MSZ IEC 51-1 szabvány alapján a mutatós műszereken és tartozékokon alkalmazandó jelképek táblázatát közöljük Fogyasztás A kitérítő nyomaték létrehozásához a mutatós műszerek a vizsgált áramkörből tejlesítményt vesznek fel, megszokott - de nem szabatos - szóhasználattal ezt nevezzük fogyasztásnak. Minél nagyobb a teljesítményfelvétel, annál jobban megváltoztathatja kedvezőtlen esetben egy műszer rákapcsolása a vizsgált hálózat eredeti áram- és feszültségeloszlását. Emiatt általában előnyösebbek a kis teljesítményfelvételű (fogyasztású) műszerek. A feszültségmérők, a műszerek feszültségtekercsei nagy ellenállásúak legyenek P = U 2 R az árammérők, a mérőműszerek áramtekercseinek ellenállása pedig kicsi legyen P = I 2 R Terhelhetőség A műszereknek a méréshatárnak megfelelő feszültséget vagy áramerősséget huzamos ideig, a legalább 120 %-os (esetenként ennél nagyobb) túlterhelést két óra időtartamig károsodás és a pontossági osztály megváltozása (romlása) nélkül el kell viselniük. A rövid idejű túlterhelésekkel szembeni ellenállóképességet részletes előírások szabályozzák, a névleges feszültség vagy áram szeresét kell a műszereknek kibírniuk pedig, 0,5...5 s-ig, alkalommal.

17 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal 2.3. A mutatós műszerek közös szerkezeti elemei, hibaforrásai Csapágyazás, visszatérítő nyomaték képzése, árambevezetés A mozgórész csapágyazása teszi lehetővé ennek - lehetőleg igen kicsi csapsúrlódással járó - elfordulását. A csapsúrlódás a beálláskor bizonytalanságot - ezzel mérési hibát okoz, ezért kis értéken kell tartani. A visszatérítő nyomatékot általában mechanikus eszköz (rugó) fejti ki, de elektromechanikus (elektrodinamikus vagy mágneses) elven is létrehozható. Az árambevezetést is meg kell oldani olyan mozgórész esetén, amelynek árammal átjárt, külső forrásból táplált tekercse van. Az előző három funkció közül egy-egy szerkezeti megoldás kettőt-hármat is elláthat ábra. Mutatós műszerek csapágyazása a) tűcsapágy; b) hengeres csapágy A ábrán a tűcsapágy és a hengeres csapágy szerkezeti vázlatát ábrázoltuk. A tűcsapágy - függőleges tengellyel - kicsi csapsúrlódási nyomatékot ad. A függőleges tűcsapágyazást - a befeszülés elkerülése érdekében - a felső csúcs és a csapágykő között kis rést tartva szereljük. A billegési hibáinak ez a forrása, a tengely a függőleges helyzetből elbillenhet (2.-4. ábra). Vízszintes tengellyel bizonyos mértékű befeszülés kialakul, a súrlódási nyomaték egy nagyságrenddel nagyobb lehet. A hengeres csapágy súrlódási nyomatéka nagyobb, viszont a lökésszerű igénybevételeket jobban elviseli, mint a tűcsapágy.

18 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal ábra. Billegési hiba 1 mutatótengely; 2 tengely; 3 csapágy A tűcsapágyazás a laboratóriumi és üzemi műszerek, a hengeres csapágyazás pl. gépjárművek műszereinek jellegzetessége. Mindkét csapágyazás sajátossága, hogy a csap megfelelő keménységű acél (ezüstacél), a csapágy természetes féldrágakő (rubin, zafír, achát). Ilyen csapágyazási megoldások esetén a visszatérítő nyomaték-képzés és az árambevezetés kettős feladatát lapos spirálrugóval oldjuk meg. Erre a célra korrózióálló, de jól forrasztható, antimágneses, rugalmas utóhatásokat nem mutató fémötvözeteket, (pl. foszforbronzot) használunk. Néha "nyomatékmentes" (a mérőműben ható más nyomatékokhoz viszonyítva igen kicsi nyomatékú) árambevezetés szükséges, ezt igen vékony aranyfólia (aranyfüstlemez) spirállal valósíthatjuk meg. A feszített szálas csapágyazás elvét a ábrán ábrázoltuk. A feszített szálak elcsavarodása teszi lehetővé a mozgórész lefordulását, az elcsavarodás következtében a szálban kialakuló torziós nyomaték visszatérítő nyomatékká válik. Az áramot a feszített szálon keresztül vezetik be, így ez a megoldás hármas funkciót lát el. A feszítettszálas csapágyazás mentes a csapsúrlódástól, nagy rugóengedékenységű (C r nagy), emiatt érzékeny és pontos mérőművek készíthetők ilyen csapágyazással. A feszítettszálas csapágyazást egyre nagyobb mértékben alkalmazzák a műszergyártásban. Hasonló elven alapul a függesztőszálas csapágyazás (2.-6. ábra). Mivel egy torziós szálon függ a mozgórész, a rugóengedékenység - és ennek következtében az érzékenység - tovább növelhető. Főleg a nagyérzékenységű galvanométerekben használják. Ez a konstrukció mechaikailag nagyon érzékeny, használaton kívül és szállításkor a műszer mozgórészét rögzíteni kell a függesztőszál tehermentesítésére (arretálás). Az arretáló szerkezetet a műszerekbe beépítik. A műszer mozgórésze nyugalmi helyzetének - nullapontjának - kismértékű állítási lehetőségét minden mutatós műszerben megteremtik. A mechanikai nullapont a visszatérítő nyomatékot adó rugó, vagy a szál befogási helyzetének változtatásával állítható.

19 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal ábra. Feszítettszálas csapágyazás 1 feszített szál; 2 feszítőrugó; 3 mozgórész; 4 tengely; 5 mutató; 6 szárnyas légcsillapító;7 ütköző ábra. Függesztőszálas csapágyazás 1 tükör; 2 csatlakozás; 3 arretáló

20 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 10.oldal Csillapító szerkezet A mozgórész lengéseinek csillapítására, a megfelelő beállási viszonyok eléréséhez a mutatós műszereket csillapítószerkezettet látják el. Állandómágneses mérőművekben általában örvényáramú csillapítást alakítunk ki, más mérőműveket mechanikus, lég- ill. folyadékcsillapítással látjuk el. A ábrán az egyik leggyakoribb megoldást, a szárnyas légcsillapító szerkezetet láthatjuk ábra. Szárnyas légcsillapító Értékmutató szerkezet A mért mennyiség számértékét a műszer értékmutató szerkezete, a mutató és a skála segítségével tudjuk megállapítani. A mechanikus mutató a műszer mozgórészéhez erősített vékony, könnyű rúd. A kapcsolótábla műszerek mutatója - a távolról való leolvasás segítésére - széles botmutató. A készülékbe épített és a hordozható műszerek mutatója vékony fém vagy üvegcső, esetleg üvegrúd. Néhány mutató formát a ábrán figyelhetünk meg.

21 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 11.oldal ábra. Mutatótípusok a) botmutató b) c) üvegmutató ábra. Mutató kiegyensúlyozása 1 mutató; 2 ellensúlyszár; 3 ellensúly A mutató - kis tömege ellenére is - mechanikai szempontból kiegyensúlyozatlanná tenné a mozgórészt, ezért megfelelően elhelyezett ellensúlyokkal egyensúlyozzák ki a mozgórészt (2.-9. ábra). A tökéletes kiegyensúlyozás nem valósítható meg, emiatt a műszer érzékeny a használati helyzetre. Helyzethibának nevezzük azt a hibát, ami a műszer nem megfelelő (a referenciaértékétől, -tartománytól eltérő) helyzetben való használatából adódik.

22 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 12.oldal ábra. Fénymutató 1 mozgórész; 2 tükör; 3 skála; 4 fényforrás; 5 homorú tükör; 6 kondenzor lencse; 7 maszk; 8 objektív; 9 vetített fényfolt A fénymutató elvét a ábrán mutatjuk be. A fényforrást, maszkot, vetítőobjektívet magába foglaló optikai rendszer a maszk képét - a mozgórészhez erősített tükör közvetítésével - az íves kiképzésű, skálával ellátott ernyőre vetíti. A maszk kör vagy ellipszis alakú nyílás, közepén egy leolvasó szállal. A tükörről visszavert sugár elfordulási szöge kétszerese a mozgórész elfordulásának. A fénymutató - az elhanyagolható tömegű tükörtől eltekintve - nem növeli meg a mozgórész tömegét és nem okoz kiegyensúlyozatlanságot. Hossza tetszés szerint növelhető, ezzel az érzékenység és a leolvasás felbontóképessége fokozható. Precíziós műszerekben általában fénymutatót használunk (és feszítettszálas csapágyazást), a függesztőszálas csapágyazás is fénymutatóval jár együtt. A skálalapra a mérendő mennyiség számértékének megállapítására való - osztásvonalakból és számozásból álló - skálát ( vagy több skálát ) visznek fel. A skálalap ezen felül még sok, igen fontos információt hordoz: - a műszerrel mérhető mennyiség(ek); - a mérőrendszer típusának jelképe; - áramnem; - pontossági osztály jele; - próbafeszültség jele; - a vonatkozó szabvány száma; - gyártómű, típusjel, gyártási szám; - áramváltó, feszültségváltó áttétele, sönt vagy egyéb tartozékok jellemzői, ha a műszert ezzel együtt használják. Ezen felül további jellemzők is szerepelhetnek, pl. belső ellenállás, önindukciós tényező,

23 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 13.oldal referencia- és használati tartomány stb. A skálalapon használt jelöléseket és ezek értelmezését a Függelék MSZ IEC 51-1 szabványból vett táblázata tartalmazza. A tömeggyártású, kisebb pontosságú műszereken előre nyomtatott skálát használnak fel, a műszert a skála végkitérése szabályozzák be. Precíziós műszerek esetében a skála pontját jelölik ki az egyedi kalibrálás során, ennek alapján rajzolják meg - a kalibrálási pontok között már egyenletes osztású - skálát. Mindkét esetben kialakulhat skálahiba, természetesen az utóbbi eljárás során ez jóval kisebb. Az értékmutató szerkezettel kapcsolatos egy másik hiba, a leolvasási hiba. Ez egyrészt szubjektív tényezőktől függ, pl. a becsléssel való interpolálás meglehetősen bizonytalan. A parallaxis hiba a leolvasási másik összetevője. A mutató a skála fölött bizonyos távolságban mozog, a leolvasás csak akkor lehet helyes, ha a megfigyelési pont és a mutató által kifeszített sík a skálalapra merőleges. Ha "ferdén" szemléljük a műszert, parallaxis hiba jön létre. Ennek elkerülését segíti a tüköralátétes skála: a skála osztásvonalai alatt a skálalapon rést vágnak ki, a skálalap alá tükröt helyeznek, és néha a mutató végét késélszerűre képezik ki. Merőleges a szemlélési irány, ha a mutató és tükörképe pontosan fedi egymást ( ábra). A fénymutató parallaxis hibától mentes ábra. Tüköralátétes skála 1 skála; 2 mutató; 3 tüköralátét Műszertok A műszer tokja védi meg a műszer szerkezetét a külső behatásoktól. A tok kialakítása a műszer rendeltetésétől függ. A kapcsolótáblába vagy készülékbe építhető műszerek általában négyszögletes (négyzetes vagy téglalap alakú) tokkal, függőleges helyzetű skálalappal készülnek, villamos csatlakozóik a hátoldalon vannak. A hordozható üzemi vagy laboratóriumi műszerek vízszintes skálalappal készülnek, villamos csatlakozóik, kezelőszerveik (pl. a méréshatár-átkapcsoló) általában a tok felső vízszintes lapjára kerülnek.

24 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 14.oldal A műszertok fémből vagy műanyagból készül, a műanyag tok a gyakoribb. A tok skála előtti ablaka üvegből vagy átlátszó műanyagból készül. Az elektrosztatikus feltöltődésre jobban hajlamos műanyagokat csak kisebb pontosságú, készülékekbe építhető műszerekhez használják, a precíziós műszerek ablaka üvegből készül. Az ablak elektrosztatikus feltöltődése a mutatóra ható elektrosztatikus erőhatások kialakulásával és a mért érték megváltozásával járhat. Ennek elkerülése érdekében a műszerek ablakának belső felületét átlátszó, villamosan vezető (az elektrosztatikus feltöltődést gátló) bevonattal látják el. Ellenőrző kérdések 1. Hogyan határozzuk meg a műszerállandót, mi a szerepe a mért érték megállapításában? 2. Mit értünk abszolút és relatív hiba alatt? 3. Pontosság szempontjából hogyan minősítjük, osztályozzuk a műszereket? 4. Milyen környezeti hatások befolyásolják a mérési pontosságot, milyen mértékű lehet a pontosság csökkenése? 5. Milyen csapágyazást, visszatérítő rugót és árambevezetési megoldásokat használnak a precíziós műszerekben, ill. a hordozható üzemi műszerekben? 6. A műszerek beállítási viszonyait hogyan befolyásolhatjuk? 7. Milyen megoldások segítik a leolvasási hiba mérséklését? 8. Milyen adatokat szokás feltüntetni a műszer skálalapján?

25 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 3. A mutatós villamos műszerek és alkalmazásuk 3.1. A lengőtekercses műszer A lengőtekercses - gyakran Deprez-műszernek nevezett - műszer az állandómágneses műszerek családjába tartozik. A kitérítő nyomaték az állandómágnes terében levő, árammal átjárt mozgórész, az ún. lengőtekercsre ható erők következményeként jön létre A lengőtekercses műszer felépítése, működése, hibaforrásai A lengőtekercses műszer elvi felépítését a ábra mutatja be. A vonalkázással jelölt állandó mágnesre szerelt lágyvas saruk és a saruk által közrefogott belső hengeres lágyvas mag között - a szimmetrikus, koncentrikus elrendezés következtében - állandó méretű hengeres légrés alakul ki, és ennek eredményeként azonos nagyságú légrésindukció a légrés hasznos szakaszán ábra. A lengőtekercses (Deprez-) műszer szerkezete 1 állandómágnes; 2 spirálrugó; 3 lágyvas mag; 4 mutató; 5 mágneses sönt; 6 lágyvas pólussaruk; 7 lengőtekercs

26 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal A pólussaruk szélein torzul el csupán a mágneses tér. Az indukcióvonalak sugárirányúak, a mágneses erővonalak ugyanis úgy törnek meg egy nagy permeabilitású anyagból (pl. lágyvas) levegőbe kilépve vagy levegőből egy ilyen anyagba belépve, hogy merőlegesek lesznek a nagy permeabilitású anyag felületére. A lengőtekercses műszer légrésében tehát homogén radiális mágneses tér alakul ki, ebben mozog a műszer árammal átjárt lengőtekercse. Vizsgáljuk meg a lengőtekercses műszer működését egyenáramon. A légrésben az indukció B, a tekercsen folyó áram I, a tekercsnek a légrésben haladó hatásos hossza l. A lengőtekercs vezetői az indukció irányára merőlegesek, a lengőtekercs egy menetének az egyik oldalára ható erő: F 1 = B l I Az N menetszámú lengőtekercs egyik oldalára ható erő: F = NBl I A lengőtekercs másik oldalán az áram iránya ellentétes, emiatt az erre a tekercsoldalra ható erő ellentétes irányú lesz. A két erő erőpárt alkot, a hatásvonaluk távolsága ( az erő karja) d, a kitérítő nyomaték nagysága a következő: M k = NB l di A kitérítő nyomaték tehát a lengőtekercsben folyó árammal arányos. Egy adott műszerre a Bld szorzat állandó nagyságú. Az ld a lengőtekercs hatásos - a légrésben mozgó - felülete, a Bld szorzat (indukció megszorozva a felülettel) fluxus dimenziójú. Az NBld a tekercsfluxus (vagy más néven fluxuskapcsolódás) (ezt ψ -vel szokás jelölni): Ezzel a helyettesítéssel a kitérítő nyomaték: ψ = NB l d M k =ψ I Deprez-mérőműszerben a kitéréssel arányos visszatérítő nyomatékot rugó hozza létre: M v = - α C r A két nyomaték egyensúlya esetén: ψ I - α C r =0 Ezt rendezve, a bemenő és kimenő mennyiség kapcsolata, azaz a statikus karakterisztika a következőre adódik:

27 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal α =ψ C r I A ψc r szorzat is állandó egy adott műszerre. Láthatjuk, hogy az I bemenő mennyiség és a kimenő mennyiség között lineáris, arányos kapcsolat van. A műszer érzékenysége állandó és a következő módon fejezhető ki (lásd a alfejezetet): E = Δα Δ X = α I =ψ C r A lengőtekercses mérőműszer érzékenysége annál nagyobb, minél nagyobb a Ψ (nagy légrésindukció, nagy menetszám, légréshossz és tekercsátmérő) és minél nagyobb a C r rugóengedékenység (minél lágyabb a rugó). A lengőtekercses műszer igen pontos és nagy érzékenységű lehet, emellett igen kicsi a fogyasztása. A legnagyobb érzékenységű Deprez-műszer méréshatára néhány ma (az igen nagy érzékenységű Deprez-műszert galvanométernek nevezzük), a fogyasztás (teljesítmény-felvétel) W. A Deprez-mérőmű pontossági osztálya 0.1-nél jobb is lehet. Az arányos statikus karakterisztikából következik, hogy a műszer az áram egyszerű (vagy más néven elektrolitikus ) középértékével arányos kitérést ad, a skálája pedig egyenletes osztású. Ha az áramirány megfordul, a nyomaték iránya is megfordul, a Deprez-műszer polaritásérzékeny. Hullámos egyenáram esetén ennek egyenáramú összetevőjét méri. Hálózati (50Hz) frekvenciájú váltakozó áram tiszta lengő nyomatékot hoz létre a mérőműben (amelynek középértéke nulla), a viszonylag nagy tehetetlenségű (és kicsi önfrekvenciájú) mérőmű nem követi a nyomaték pillanatnyi változásait, a műszer nem tér ki nyugalmi helyzetéből, váltakozó áramot tehát nem mérhetünk vele. A tekercs melegedése viszont az áram effektív értékének négyzetével arányos (és ez nem nulla), így könnyen túlmelegedhet (leéghet) a műszer lengőtekercse, mivel a kitérés alapján nem gyanakodunk a műszer termikus túlterhelésére. A lengőtekercses műszer mágneses körének kialakítási módjait a ábra foglalja össze, amelyen befeketítéssel jelöltük az állandómágneseket. A magmágnesű konstrukció tömege, helyszükséglete és ára is kedvező, a tömeggyártású műszerekben ezzel a megoldással találkozunk ábra Deprez-műszer mágneses körének kialakítása a) külső mágneses, b) magmágneses

28 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal A Deprez-mérőműszerben örvényáramú csillapítást hozunk létre (más állandómágneses műszerekhez hasonlóan). A lengőtekercset egy zárt (rövidrezárt menetet alkotó) alumínium keretre tekercseljük rá. Amíg a mozgórész mozog, a keretben feszültség indukálódik, amely áramot hoz létre. A keret áramának és a légrés mágneses terének kölcsönhatásából - a Lenz-törvény szerint - a keret mozgását fékező, a mozgás irányával ellentétes irányú csillapító nyomaték jön létre, amelynek nagysága a keret szögsebességével arányos, így természetesen megszűnik, amikor a lengőtekercs beállt egyensúlyi helyzetébe. A lengőtekercses mérőműszer egyenfeszültség mérésére is alkalmas. Ha a lengőtekercs belső ellenállása R b, akkor azon U/R b nagyságú áram folyik, ezzel a statikus karakterisztika: α = ψ C r R b Közvetlenül áramot kb. 500 ma-ig, feszültséget néhányszor 100 mv-ig tudunk mérni a Deprezműszerrel. Nagyobb feszültség méréséhez soros (előtét-) ellenállást, áram méréséhez párhuzamos (sönt) ellenállást alkalmazunk. A mérőmű tulajdonságainak jellemzésére a gyártóművek az alap áram-méréshatárt ( I 0, ezt megszokott, nem szabatos kifejezéssel alapérzékenységnek is nevezik) és a belső ellenállást (R b ) adják meg. Az alap feszültség-méréshatár (U 0 ) az előzőekből adódik: U U 0 = I 0 R b A lengőtekercses mérőművek jellegzetes hibaforrásai: az állandómágnes öregszik (gyengül), a légrésindukció és ezzel az érzékenység is csökken. A mágneses sönt (lásd a ábrán) lehetőséget ad - bizonyos határokig - ennek korrigálására. a lengőtekercs réz tekercselésének ellenállása a hőmérséklet függvénye, a feszültségérzékenység emiatt hőmérsékletfüggő. Megfelelő hőkompenzáló műkapcsolással (pl. Swinburne-kapcsolás, ábra) ez a hatás mérsékelhető ábra. A Deprez-műszer hőmérsékleti hibájának kompenzálása A lengőtekercses mérőmű alkalmazása egyenáramon A lengőtekercses mérőművet - megfelelő tartozékokkal és kapcsolási módszerekkel -

29 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal egyenfeszültség, egyenáram és ellenállás mérésére tehetjük alkalmassá Lengőtekercses voltmérő A mérőmű alap feszültség-méréshatárát (U 0 ) meghaladó feszültség mérését úgy oldhatjuk meg, hogy a műszerhez soros ellenállást (előtétellenállást) csatlakoztatunk (3.-4. ábra). az előtétellenállásnak (R e ) akkorának kell lennie, hogy a megnövelt méréshatárnak megfelelő U feszültség az áramkör R=R e +R b soros eredő ellenállásnál a műszer alap áram-méréshatárának megfelelő I 0 áramot hozza létre. U R e + R b = U 0 R b = I 0 Az egyenlet reciproka: ábra. Lengőtekercses voltmérő R e -t kifejezve: R e + R b U = R b U 0 R e = U U 0 R b - R b = R b ( U U 0-1 ) Az U/U 0 viszony azt fejezik ki, hogy a méréshatárt hányszorosára akarjuk megnövelni. Vezessük be az n=u/u 0 jelölést, ezzel: R e = R b ( n -1 ) A gyártók által közölt I 0 és R b -vel közvetlenül kifejezve az előtétellenállás értékét (az egyszerű

30 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal levezetés mellőzésével: R e = U I 0 - R b A lengőtekercses voltmérők jellemzésére használjuk a voltonkénti belső ellenállás mérőszámát (jelöljük ezt r-rel). Elnevezéséből adódik a meghatározásának módja: a voltmérő eredő ellenállását (R=R e +R b ) kell osztanunk az U méréshatárral. Az előző összefüggésből: R = R e + R b = U I 0 U-val osztva az egyenletet, a voltonkénti belső ellenállás: r = R U = 1 I 0 ( Ω/V) A voltonkénti belső ellenállás tehát a méréshatártól független, a műszer alap áram-méréshatára szabja meg. Minél nagyobb ez a viszonylagos ellenállás, annál kisebb a műszer teljesítményfelvétele (fogyasztása). Kicsi alap-méréshatárú műszerrel lehet nagy voltonkénti belső ellenállást elérni. Elektronikai mérésekhez készítenek például 100 kω/v viszonylagos belső ellenállású lengőtekercses voltmérőt is, amihez a szükséges alap-méréshatár: I 0 = 1 r = = 10-5 A =10 μa A Deprez-voltmérőket általában több méréshatárra készítik, a méréshatár dugaszolással (3.-5. ábra) vagy méréshatár-váltó kapcsolóval váltható át. 600V méréshatárig az előtéteket beépítik a műszertokba, e felett külső előtétet használnak, melegedési és szigetelési okokból ábra. Lengőtekercses voltmérő több méréshatárral

31 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal Lengőtekercses ampermérő A műszer alap-méréshatárát (I 0 ) meghaladó áramerősség úgy mérhető, hogy a műszerrel párhuzamosan kötünk egy olyan értékű R s söntöt, hogy a műszer és a sönt párhuzamos eredő ellenállásán (R=R s x Rb) a megnövelt méréshatárnak megfelelő I áram a műszer alapméréshatárának (U 0 ) megfelelő feszültségesést hozza létre. Ekkor a műszeren éppen az alapméréshatárnak megfelelő I 0 áram fog folyni (3.-6. ábra) ábra. Lengőtekercses ampermérő A számlálót és a nevezőt I 0 -val osztva: R s ( I - I 0 )= I 0 R b = U 0 R s = I 0 R b I - I 0 R s = I I I 0-1 Az I/I 0 viszony azt fejezi ki, hogy hányszorosára kívánjuk a műszer méréshatárát növelni. Az n=i/i 0 helyettesítéssel: R s = R b n-1 Ez az összefüggés azt is kifejezi, hogy minél nagyobb áramerősséget akarunk mérni, a műszer belső ellenállásához viszonyítva annál kisebbre kell választanunk a sönt ellenállását. A mérendő áram döntő hányada ilyenkor a söntön folyik. Az áram mérésének ezt a módját úgy tekinthetjük, hogy egy kis méréshatárú voltmérővel mérünk egy R s söntön létrejövő feszültségesést, ebből következtetünk a söntön folyó áramra. A külső, cserélhető söntöket névleges áramerősségükkel és ennél az áramerősségnél a söntön létrejövő feszültségeséssel jellemzik. A szabványos söntfeszültségek: 30, 45, 50, 60, 75, 100, 150 és 300 mv. Leggyakoribb a 60 mv feszültségesésű

32 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal sönt. A kisebb feszültségesésű söntök vesztesége (az árammérés fogyasztása) kisebb. Nagy áramerősségek mérése már jelentős veszteséget, hőterhelést okozhat, pl A-es, 150 mv feszültségesésű söntön P=U I=1500 0,15=225 W veszteség keletkezik névleges terhelés esetén. A külső söntök négy csatlakozókapoccsal készülnek, a ábra szerint kapcsolódnak a mérőkörbe. A terhelés árama a robusztus árambevezető kapcsokon keresztül folyik, a műszer a kisebb, ún. definíciós kapcsokhoz csatlakozik ábra. Sönt szerkezete, bekötési módja Ezzel a kapcsolástechnikai megoldással elérjük azt, hogy a nagyáramú részek átmeneti ellenállásain létrejövő - néha a söntön létrejövővel összemérhető nagyságú - feszültségek nem jutnak a mérőműszerre, nem hamisítják meg a mérést. A definíciós kapcsokon a műszer felé folyó áram már csak ma nagyságú, a definíciós kapcsok átmeneti ellenállásai elhanyagolható hibát okoznak. Ez az ún. négyvezetékes kapcsolási technika - azaz az áram-hozzávezetés és a feszültségérzékelés elkülönítése - a méréstechnika más területein is felbukkan. A külső söntökhöz a sönt feszültségeséséhez igazodó méréshatárú lengőtekercses voltmérőt kell használnunk. Készítenek kimondottan ilyen célra 60 mv-os méréshatárú lengőtekercses műszereket. A több méréshatárú, beépített söntökkel ellátott lengőtekercses ampermérők jellegzetes kapcsolási megoldása az ún. lépcsős sönt (3.-8. ábra) lehetővé teszi a méréshatár váltását átdugaszolással vagy egyáramkörös méréshatár-váltó kapcsolóval. A legkisebb méréshatáron (I 4 ) az R s1...r s4 ellenállások - egymással sorbakapcsolódva - valamennyien a sönt szerepét játsszák. A legnagyobb méréshatáron (I 1 ) viszont csak R s1 szerepel söntként, R s2... R s4 sorbakapcsolódik a műszerrel. Emiatt nagyobb méréshatáron az áramméres feszültségesése nagyobb ábra. Lengőtekercses ampermérő több méréshatárral

33 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal Lengőtekercses ellenállásmérő A lengőtekercses mérőműszert - egyenáramú áramforrás, néhány ellenállás vagy potenciométer felhasználásával - ellenállásmérésre is alkalmassá tehetjük. A soros ohmmérő (3.-9. ábra) esetén a mérőműszeren folyó áram: ábra Soros ohmmérő U I = R sz + R b + R x A műszer kitérése (a statikus karakterisztika): U α =ψ C r R sz + R b + R x A mérendő mennyiség a kifejezés nevezőjében szerepel, a statikus karakterisztika hiperbolikus, emiatt nemlineáris, fordított állású a skála. A soros ohmmérővel a mérés két lépése a következő: - a műszer csatlakozókapcsait rövidre zárjuk (ekkor R x =0), az R sz potenciométerrel a műszert végkitérésre, azaz az ellenállás skála nullpontjára állítjuk be, - a rövidzárt megszüntetjük, a mérendő ellenállást csatlakoztatjuk a műszer kapcsaihoz, ekkor olvashatjuk le a mért értéket. A statikus karakterisztika az U tápfeszültséget is tartalmazza, megfelelően pontos mérőeszközt csak stabilizált tápfeszültség esetén kaphatunk. Galvánelemes táplálás esetén legfeljebb friss elemekkel kapunk megfelelő pontosságot, kimerült elemekkel már a műszer nullázása sem lehetséges. Párhuzamos ohmmérő elvi kapcsolása a ábrán szerepel. Az R sz szabályozó és az R b belső ellenállás soros eredőjét R-rel jelölve, a statikus karakterisztika a (levezetés mellőzésével):

34 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 10.oldal α =ψc r U R+ R 1 + RR 1 R x ábra. Párhuzamos ohmmérő A párhuzamos ohmmérő skálája egyenes állású, de nem lineáris. A mérés két lépése a következő: - nyitott kapcsokkal, az R sz potenciométerrel végkitérésre állítjuk a műszert; - a mérendő ellenállást a kapcsokra kötjük, leolvassuk a mért értéket. A soros és párhuzamos ohmmérő gyors, de nem túl pontos, inkább tájékoztató jellegű méréseket tesz lehetővé. A kapcsolási megoldások finomításával a tápfeszültségtől való függés mérsékelhető. Stabilizált tápfeszültséggel a mérés pontossága fokozható, de akkor már elektronikus segédáramkörök szükségesek (a szigetelési ellenállás mérésekor pl. ez szokásos megoldás). A több funkciót ellátó univerzális műszerek egyik üzemmódja az ellenállásmérés, ezt a soros vagy párhuzamos ohmmérő elvén valósítják meg ábra. A szigetelési ellenállás mérése Deprez-mérőműves, telepes táplálású szigetelésvizsgálóval

35 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 11.oldal A szigetelési ellenállás mérésére szolgáló, a soros ohmmérő elvén működő műszer elvi felépítését a ábrán mutatjuk be. A műszer energiaforrása galvánelemekből vagy akkumulátorokból álló telep. Ennek néhány V-os feszültségét növeli meg a transzverter a szigetelésméréshez szükséges értékre ( V). A transzverter kimenetén állandó nagyságú egyenfeszültség jelenik meg, erről a transzverterre ható feszültségszabályozó gondoskodik. A Deprez műszeren folyó áram: U t I = R b + R x Az áramerősség csak R x -tól függ, mivel U t és R b állandó. A védőárnyékolás kapcsa (GUARD) ugyanolyan szerepet játszik, mint az induktoros (keresztekercses hányadosmérős) szigetelésiellenállás-mérő esetében (lásd a Ellenállásmérés kereszttekercses hányadosmérővel pontot) A lengőtekercses műszer alkalmazása váltóáramon A lengőtekercses műszert váltakozó áramú mérésekre úgy tehetjük alkalmassá, hogy ha a váltakozófeszültséget vagy - áramot egyenirányítjuk és így juttatjuk a mérőműre. Lényegében így már átalakítós műszerről beszélhetünk, az MSZ IEC 51 viszont még a közvetlen működésű műszerek közé sorolja az egyenirányítós Deprez-műszereket Félvezető diódák tulajdonságai Az ideális és a valóságos egyenirányító diódák karakterisztikáit a ábrán hasonlítottuk össze. Az ideális egyenirányító nyitóirányú ellenállása és feszültségesése nulla, záróirányú ellenállása végtelen, árama nulla. A valóságos egyenirányító diódák nyitóirányú tulajdonságait az jellemzi, hogy amíg a rájuk jutó nyitóirányú feszültség a küszöbfeszültséget nem éri el, gyakorlatilag nem folyik rajtuk áram, a küszöbfeszültséget túllépve viszont az áramerősségtől viszonylag kevéssé függő, a küszöbfeszültségnél alig nagyobb nyitóirányú feszültségesés jön létre rajtuk. Germánium diódák küszöbfeszültsége 0,2 V, a szilícium diódáké 0,6 V körüli érték. A záróirányú karakterisztika közelebb áll az ideálishoz, a záróirányú áram - a műszerekben használt egyenirányító esetén - mikroamper, nanoamper nagyságrendű. A félvezető diódák karakterisztikái hőmérsékletfüggőek. A hőmérsékletet növelve, a nyitóirányú feszültség csökken, a záróirányú áram pedig nő.

36 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 12.oldal ábra. Félvezető dióda karakterisztikája a) ideális; b) valóságos; Egyenirányítós lengőtekercses voltmérő Az egyenirányítós műszerekben általában hídkapcsolású (Graetz-kapcsolású) egyenirányítókat használunk. A ábra mutatja be az egyenirányítós voltmérő elvi kapcsolását, a bemenő feszültség (u) és a műszeren átfolyó áram (i) közötti kapcsolatot. Az egyenirányító diódák nyitóirányú tulajdonságai miatt a műszeren nem folyik áram (i=0), amíg a bemenő feszültség pillanatértéke a diódák küszöbfeszültségének kétszeresénél kisebb (U<2*U k ). A karakterisztika érzéketlenségi sávjának ez az oka ábra. Lengőtekercses voltmérő Graetz-kapcsolású egyenirányítóval a) kapcsolás; b) karakterisztika Az érzéketlenségi sáv felére csökkenthető, ha a ábra szerint a híd két diódáját ellenállásokkal helyettesítjük. (Teljesítmény egyenirányítókban ez a megoldás nem használható!). Germánium diódákat használva az érzéketlenségi sáv kb. 0,2 V. Az érzéketlenségi sáv miatt az egyenirányítós lengőtekercses műszerek legkisebb méréshatára 0, V.

37 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 13.oldal ábra. Lengőtekercses egyenirányítós voltmérő csökkentett érzéketlenségi sávval (kapcsolás és időfüggvények) Ha a mérendő feszültség jóval nagyobb, mint az egyenirányító diódák küszöbfeszültsége, akkor az utóbbi elhanyagolható, a műszeren folyó áram és a mérendő feszültség között következő a kapcsolat: ahol R=R e +R h +R b i = u R A műszeren átfolyó áram kétüteműen egyenirányított váltakozó áram. A műszer mérőművében ennek megfelelő lefolyású, lüktető kitérítő nyomaték keletkezik, a kitérés pedig e nyomaték átlagértékének megfelelő nagyságú lesz. A műszeren folyó áram középértéke (I k ) a feszültség abszolút középértékének (U ak ) és a kör eredő ellenállásának (R) hányadosa: I k = U ak R Az egyenáramú lengőtekercses voltmérőre érvényes kapcsolatot felhasználva: α = ψ C r R U ak = k u U ak Az egyenirányítós Deprez-voltmérő kitérítő nyomatéka és kitérítése a feszültség abszolút középértékével arányos. Az egyenirányítós lengőtekercses voltmérő méréshatára ugyanúgy előtétellenállásokkal növelhető, mint az egyenfeszültségű voltmérőé, az előtétellenállás meghatározásának módja is azonos.

38 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 14.oldal Egyenirányítós lengőtekercses ampermérő A lengőtekercses egyenirányítós műszerrel való árammérés egyik lehetséges megoldását a ábra mutatja be. Lényegében - az egyenáramú alkalmazáshoz hasonlóan - a söntön létrejövő feszültségesést mérjük egy egyenirányítós Deprez-voltmérővel. A diódák küszöbfeszültsége miatt a söntön 0,6...1V feszültségesésre van szükség a méréshatárnak megfelelő áramerősségen. (Egyenáramú lengőtekercses ampermérők esetén ez jóval kisebb, 0,1 V körüli érték.) Az egyenirányítós ampermérőkhöz is használható az egyenáramú műszerek esetén szokásos lépcsős sönt. A sönt ellenállása is az egyenáramú ampermérőével azonos módon határozható meg ábra. Lengőtekercses egyenirányítós ampermérő sönttel Kedvezőbb - kisebb fogyasztású - árammérési megoldás adódik, ha a ábra szerinti módon, áramváltóval csatoljuk az egyenirányítós műszert az áramkörbe.(az áramváltó működési elvével, tulajdonságaival bővebben a 6. fejezetben foglalkozunk.) A méréshatár a primer tekercs menetszámával változtatható, a tekercs megcsapolásaihoz csatlakozva nő a méréshatár. Az ilyen megoldású árammérőn a feszültségesés csupán 0,1 V körüli értékű ábra. Lengőtekercses egyenirányítós ampermérő áramváltóval Az egyenirányítós lengőtekercses ampermérő - a voltmérőhöz hasonlóan - a mért jel abszolút középértékével arányos kitérést ad: α =k i I ak

39 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 15.oldal Az egyenirányítós műszerek tulajdonságai Mind a voltmérő, mind az ampermérő a mért jel abszolút középértékével arányos kitérést ad, a váltakozó áramú mennyiségek esetén viszont többnyire az effektív értéket akarjuk mérni. Szinuszos lefolyású (torzítatlan, felharmonikusokat nem tartalmazó) jelek esetén az effektív érték és az abszolút középérték hányadosa - az ún. formatényező - állandó ( a feszültségre vonatkozó példát véve): k f = U U ak = π 2 2 =1,11 Szinuszos jel esetén tehát az abszolút középérték ismeretében az effektív értékre is következtethetünk: U = 1,11U ak Az egyenirányítós lengőtekercses műszerek esetében az a szokásos megoldás, hogy a műszert szinuszos jellel kalibrálják, és a skálán a jel (feszültség, áramerősség) effektív értékét tüntetik fel. Ez elsősorban a műszerek kényelmes használatát segíti, mivel többnyire szinuszos jeleket vizsgálunk, ilyenkor közvetlenül ezek effektív értékét olvashatjuk le a méréskor. Nemszinuszos jelek effektív értékének mérése egyenirányítós lengőtekercses műszerrel nem lehetséges. Négyszögjelhez hasonló jelek esetén a mért érték nagyobb, csúcsos görbealak (háromszögjel) esetén pedig kisebb, mint az effektív érték. Bármilyen hullámformájú jel abszolút középértékét viszont meghatározhatjuk, ha a mért értéket 1,11-del elosztjuk. Az egyenirányítós lengőtekercses műszer sok esetben működőképes egyenáramon is (kivétel pl. az áramváltós csatolású árammérő). Ez inkább hátrányos, tévedésre lehetőséget adó tulajdonság. A műszer - a skálázás sajátosságai miatt - az egyenáramú jel egyszerű (elektrolitikus) középértékének 1,11-szeresét mutatja. Ha tévedésből egyenáramon használjuk az egyenirányítós műszert, +11%-os mérési hibával dolgozunk. Ennek elkerülésére néha úgy alakítják ki a műszert, hogy egyenáramú jelre érzéketlen legyen. Feszültségméréshez pl. kondenzátoros, áramméréshez a már említett áramváltós csatolás alkalmazható. Az egyenirányítós lengőtekercses műszerek pontossága - az egyenirányítók tulajdonságainak hőmérsékletfüggése miatt - nem éri el az egyenáramon használt lengőtekercses műszerekét, fogyasztásuk is általában egy nagyságrenddel nagyobb azokénál Univerzális műszerek Univerzális műszereknek nevezzük a lengőtekercses mérőművet tartalmazó, egyenáramon és váltakozó áramon egyaránt használható, feszültség, áramerősség és ellenállás mérésére alkalmas többméréshatárú hordozható műszereket. Az univerzális műszerekben lényegében a lengőtekercses műszernek az előzőekben tárgyalt üzemmódjait egyesítjük. Az üzem és méréshatár átkapcsolókkal, egyszerűbb műszerekben részben átdugaszolással választható meg. Az ellenállás a soros vagy

40 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 16.oldal párhuzamos ohmmérő elvén mérhető, az ehhez szükséges segédenergiát a műszerben kiképzett teleptartóban elhelyezhető galvánelem adja. A ábrán egy egyszerű, ellenállásmérési lehetőséget nem adó univerzális műszer kapcsolási vázlata látható. Az áram- és feszültségmérési mód és méréshatár átdugaszolással választható ki, egy átkapcsoló váltja az egyenáramú ill. váltakozó áramú üzemmódot. Ezzel a felépítéssel igen olcsó, de viszonylag nagy fogyasztású műszer állítható elő, kezelése (a méréshatár váltás ) kényelmetlen. Az igényesebb univerzális műszerekben átkapcsolókkal váltható az üzemmód és a méréshatár, így a mérőkör feszültségmentesítése nélkül is biztonsággal válthatunk méréshatárt mérés közben ábra. Univerzális műszer elvi kapcsolása Az univerzális műszerekre a lengőtekercses, ill. egyenirányítós lengőtekercses műszereknél elmondottak érvényesek. Az univerzális műszerek tipikus felhasználási területe a szervizmunka, ahol változatos - de nem túl nagy pontossági igényű - mérési feladatok adódnak. Ehhez igazodva a műszerek pontossági osztálya általában nem jobb, mint 1 (1%). A fogyasztásra jellemző voltonkénti belső ellenállás kω/v, a nagyobb - legalább 20 kω/v - belső ellenállású műszerek elsősorban az elektronikus áramkörök mérésére valók. A váltakozó áramú üzemmódban egyes műszerek használati frekvenciatartománya a teljes hangfrekvenciás sávot (20 Hz khz) felöleli,

41 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 17.oldal így nemcsak a hálózati 50 Hz szűk környezetében mérhetünk vele Állandómágneses hányadosmérő Az állandómágneses hányadosmérő felépítése, működése Az állandómágneses hányadosmérő felépítése: - a mozgórész két egymáshoz rögzített tekercsből áll, ezeket egymáshoz képest megfelelő szöggel elékelik, a tekercsek keresztezik egymást. Ezért kereszttekercses műszereknek hívjuk őket; - visszatérítő nyomatékot adó rugót nem tartalmaznak ( az árambevezetés "nyomatékmentes"), a két tekercsre ható ellentétes irányú nyomaték egyensúlya szabja meg a kitérést ábra. Az állandómágneses hányadosmérő működési elve Az állandómágneses hányadosmérő működési elvét a ábra alapján elemezzük. Feltételezzük, hogy az állandómágnes homogén mágneses teret hoz létre (az indukcióvonalak párhuzamosak, az indukció mindenütt azonos nagyságú és irányú). Ebben a homogén mágneses térben helyezzük el a két - egymáshoz képest 90 -kal elékelt és egymáshoz rögzített - mozgótekercset. Vezessünk át az 1 tekercsen I 1 a 2 tekercsen I 2 egyenáramot. Az áramok olyan irányúak legyenek, hogy a két tekercsre ható nyomatékok értelme ellentétes legyen. Az I 1, ill. az I 2 áram hatására kialakuló erők:

42 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 18.oldal F 1 =C 1 I 1 B F 2 =C 2 I 2 B A C 1 és C 2 együtthatók a műszer konstrukciójától függő állandók. Az F 1 és F 2 erő iránya egyaránt merőleges az indukcióra. Az 1, ill. 2 tekercsre ható nyomatékot az erő és az erő karja határozza meg. Az F 1 és F 2 erők karja függ a tekercspár helyzetétől, ennek jellemzésére az 1 tekercsnek az indukcióvonalakkal bezárt szögét választjuk ( α ). Az F 1 és F 2 erők karjai: k 1 = r cos α, k 2 = r cos( 90 o -α ) = r sin α A nyomatékok: M 1 = F 1 k 1 =C 1 I 1 B r cosα M 2 = F 2 k 2 =C 2 I 2 B r sin α Az egyensúly feltétele az M 1 és M 2 nyomaték egyenlősége: Egyszerűsítés után: Rendezve: C 1 I 1 B cosα= C 2 I 2 B r sin α C 1 I 1 cosα= C 2 I 2 sin α sin α cosα = C 1 I 1 C 2 I 2 A C 1 /C 2 hányadost jelöljük C-vel (ez is állandó), végezzük el a tg α =sin α/cos α helyettesítést: tg α=c I 1 I 2 α =arctg ( C I 1 I 2 ) Láthatjuk, hogy a mozgórész szögelfordulása a két tekercsben folyó áram hányadosának a függvénye. A karakterisztika nemlineáris, a skála nem egyenletes osztású.

43 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 19.oldal ábra. Az állandómágneses hányadosmérő szerkezete A kereszttekercses hányadosmérő gyakorlati kivitelére mutat példát a ábra, amelyen a Deprez-műszerrel való hasonlóságok és eltérések is megfigyelhetők. A hányadosmérő légrése változó nagyságú, olyan módon változik, hogy a légrés mentén az indukcióeloszlás szinusz (a) vagy koszinuszföggvénnyel (b) leírható módon alakuljon. A légrésben radiális, inhomogén mágneses tér alakul ki. Ebben mozog a két egymáshoz rögzített tekercs. A tekercsek elékelési szöge kisebb, mint 90, az indukcióelosztás függvénye megszabja a szükséges elékelési szöget Ellenállásmérés kereszttekercses hányadosmérővel A kereszttekercses hányadosmérő fő alkalmazási területe az ellenállásmérés. A ábra alapján vizsgáljuk meg ezt a felhasználási módot. A méréshez egyenáramú segédenergia-forrásra van szükség (galvánelem vagy hálózati tápegység). R 1, ill. R 2 a hányadosmérő mozgótekercseinek ellenállása, R N egy nagypontosságú (normál) ellenállás, R x a mérendő ellenállás. A hányadosmérő tekercsein folyó áramok: I 1 = U, I R x + R 2 = U 1 R N + R 2 A két áram hányadosa: I 2 = U /( R + R ) N 2 I 1 U /( R x + R 1 ) = R + R x 1 R N + R 2 A szögelfordulás: α =arc tg ( C R x + R 1 R N + R 2 )

44 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 20.oldal A műszer kitérése csak az R x függvénye (R 1, R 2 és R N állandó), a mérőkört tápláló energiaforrás feszültségétől is független. A műszert közvetlenül ellenállásértékre skálázhatjuk. A skála nem egyenletes, a végkitérés közelében sűrűbbek az osztások. A méréshatár váltása az R N változtatásával lehetséges. A kereszttekercses hányadosmérővel általában az 1Ω... 10Ωk tartományban tudunk ellenállást mérni, a pontossága nem jobb, mint 1%. A hányadosmérő használatakor lényeges az, hogy tápfeszültsége az előírt értékű, annak ellenére, hogy elvben a mért érték független a tápfeszültségtől. A tápfeszültség csökkentése ugyanis a két tekercsre ható, egymással egyensúlyt tartó nyomaték csökkenésével jár, míg a csapsúrlódás, a nem ideális árambevezetés nyomatéka változatlan. A tápfeszültség növelése a műszer káros melegedését idézheti elő ábra. Ellenállás mérése állandómágneses hányadosmérővel Szigetelési ellenállás mérésére készítenek hordozható, kézi hajtású induktorral (egyenáramú generátorral) táplált kereszttekercses hányadosmérőt (megger). Elvi kapcsolását és kábelér szigetelési ellenállásának mérésére való alkalmazását a ábrán mutatjuk be, a műszer kapcsainak szokásos jelölésével. A méréshez alkalmazott feszültség - a próbafeszültség - függ attól, hogy mekkora fordulatszámmal forgatjuk az induktor hajtókarját. A műszertípusra előírt fordulatszám esetén a próbafeszültség - típustól függően V ábra A kúszóáram hatása a szigetelésmérésre a) védőárnyékolás nélküli, b) védőárnyékolással

45 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 21.oldal A szigetelési ellenállás pontos mérését több körülmény befolyásolja. A ábrán a kúszóáramok mérést befolyásoló hatását és ennek kiküszöbölését mutatjuk be. A a) ábrán láthatjuk, hogy az érszigetelés felületén folyó I k kúszóáram hozzáadódik a szigetelés anyagában folyó I sz áramhoz, így a mért érték kisebb lesz, mint R sz (az R sz és a kúszóáramút ellenállásának párhuzamos eredőjét mérjük). Ha a b) ábra szerint egy árnyékológyűrűt erősítünk az érszigetelésre és ezt a védőárnyékolás - többnyire GUARD feliratú - kapcsához kötjük, módosul az árameloszlás. Az ér és az árnyékológyűrű gyakorlatilag azonos (U t ) feszültségen van (a hányadosmérő áramágának belső ellenállása kicsi, feszültségesése elhanyagolható), emiatt az ér és a védőgyűrű közötti felületen nem alakul ki kúszóáram (I k1 = 0). A védőgyűrű és a köpeny közötti felületen folyik kúszóáram (I k2 0), ez viszont nem halad át a hányadosmérő áramtekercsén. Az áramtekercsen csak a mérendő R sz ellenállás I sz árama folyik, így a kúszóáram nem befolyásolja a szigetelési ellenállás mérését ábra A szigetelési ellenállások elkülönített mérése az erek között A ábrán a védőárnyékolás (GUARD) más célú használatára mutatunk be egy példát. Kéterű kábel erei közötti vagy az egyes erek és a köpeny közötti szigetelési ellenállás elkülönítetten mérhető, pl. az erek közötti R AB ellenállás mért értékét nem befolyásolja az, hogy mekkora az egyes erek és a köpeny közötti R AK illetve R BK ellenállás ábra A földelési ellenállás mérése földelésmérő

46 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 22.oldal meggerrel (induktoros, hányadosmérős műszerrel) Kereszttekercses hányadosmérő a mérőműve a földelésmérő meggernek. Elvi kapcsolását a ábrán mutatjuk be. A kereszttekercses hányadosmérő csak egyenáramon működik, a földelésmérést viszont váltakozóárammal kell végeznünk (egyenáramon az elektrolitikus polarizáció igen nagy mérési hibát okozhatna). Emiatt a készülék - az induktor tengelyéről meghajtott, azzal szinkron forgó - két kommutátort is tartalmaz. Az I. kommutátor váltóirányítóként működik, a hányadosmérő áramtekercsén folyó egyenáramot kommutálva váltakozó áramot hoz létre a mérendő földelés és az ellenföldelés közötti árampályán. A II. kommutátor egyenirányítóként szerepel, a földelés és a szonda közötti váltakozó feszültséget egyenirányítva juttatja a hányadosmérő feszültségtekercsére Lágyvasas műszerek A lágyvasas műszer felépítése, működése Ha áramtól átjárt tekercs közelébe lágyvas darabot helyezünk, akkor a lágyvas felmágneseződik, a tekercs és a vasdarab között erőhatás alakul ki. Ezen az elven működnek a lágyvasas műszerek. A ábrán a lágyvasas mérőmű két gyakori kialakítását, a kerettekercses és a lapostekercses mérőmű szerkezeti vázlatát figyelhetjük meg. A kerettekercses mérőmű két lágyvasa közül az egyik az állórészhez rögzített, a másik a mozgórészhez. A tekercsben folyó áram tengelyirányú (axiális) mágneses teret hoz létre, ebben mind az álló, mind a mozgó lágyvas fegyverzet azonos módon mágneseződik fel, a két lágyvas fegyverzet azonos pólusai között taszítóerők jönnek létre. A lapostekercses műszer mágneses tere vonzóerőt gyakorol a lágyvas darabra. A visszatérítő nyomatékot a szokásos módon hozzuk létre (spirálrugó vagy feszített szál). A lágyvasas műszerekben általában szárnyas légcsillapítót alkalmazunk ábra. A lágyvasas műszer szerkezete

47 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 23.oldal a) kerektekercses; b) lapostekercses A lágyvasas műszer működését leíró statikus karakterisztikát a műszer mágneses terében energia változásának elemzésével határozhatjuk meg. Bármilyen mérőmű esetén igaz, hogy a mérőmű nyomatékát meghatározhatjuk a következő módon: a mozgórészt elmozdítjuk igen kicsi Δα szöggel, megvizsgáljuk, hogy ennek hatására mekkora a mérőműben tárolt összes energia (elektromágneses vagy elektrosztatikus energia) ΔW megváltozása. A nyomaték az egységnyi szögelfordulásra eső energiaváltozás: M k = ΔW Δα Első lépésben a lágyvasas mérőmű egyenáramon mutatott tulajdonságait vizsgáljuk. Ha a műszer tekercsén I egyenáram folyik, az L önindukciós tényezőjű mérőműben tárolt mágneses energia: W = 1 2 L I 2 A lágyvas elmozdulása az önindukciós tényező megváltozását vonja magával, az áram nem változik. A kitérítő nyomaték: M k = ΔW Δα = 1 2 * Δ L Δα I 2 A visszatérítő nyomatékot C r rugóengedékenységű rugó adja, α kitérés: α = 1 2 C r Δ L Δ α I 2 A kitérés az áram négyzetével arányos. A skála tényleges alakulását a ΔL/Δα is befolyásolja, ha ΔL/Δα állandó, a skála négyzetes, azaz a végkitérés környezetében az osztásvonalak ritkulnak. A lágyvas fegyverzetek megfelelő kialakításával elérhető az is, hogy a skála közel lineáris legyen. Váltakozóáram, hullámos egyenáram esetén a nyomaték pillanatértéke az áram pillanatértékének négyzetével arányos, mindig pozitív előjelű vagy nulla (i 2 >= 0): M k (t)= 1 2 * Δ L Δα i2 A mozgórész a tehetetlenségénél fogva nem követi a nyomaték lüktetését, hanem a nyomaték átlagértékének megfelelő kitérésre áll be. A lágyvasas mérőmű tehát - a hullámformától függetlenül - a négyzetes középértéket, azaz az effektív értéket méri, egyenáramon és váltakozó áramon egyaránt. A lágyvasas mérőmű gerjesztőtekercsének meghatározott nagyságú Θ=N I gerjesztést kell létrehozni, hogy a mozgórész a végkitérésig mozduljon el. A konstrukciótól függően a szükséges gerjesztés a korábbi gyártmányoknál Θ= A menet, a korszerű konstrukciónál 30 A menet. A nagy menetszámú tekercseléssel kaphatunk nagy áramérzékenységű mérőművet (kicsi I esetén az

48 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 24.oldal N I gerjesztés megfelelő nagyságú lehet), az ilyen mérőmű belső ellenállása is nagy. A lágyvasas mérőmű fogyasztása 1 VA körüli érték (jóval nagyobb, mint az egyenirányítós lengőtekercses műszeré). A lágyvasas műszer jellegzetes hibáit a lágyvas jelenléte okozza. A vasanyag hiszterézise miatt egyenáramon a műszer mást mutathat egy adott áramerősség esetében, ha ezt az áramerősséget alulról vagy felülről közelítjük meg. A mágnesezési görbe nemlinearitása (a telítődés) miatt ugyanolyan effektív értékű egyenáramon, ill. váltakozó áramon más lehet a mutatott érték. A korszerű lágyvas anyagokkal (nagy telítési indukció, jó linearitás, kis hiszterézis jellemzi ezeket) a lágyvas jelenlétéből adódó tipikus hibák igen kis értéken tarthatók, 0,1 pontossági osztályú precíziós lágyvasas műszerek is készíthetők. A lágyvasas műszer gerjesztőtekercsének menetszáma néha elég nagy, az önindukciós tényezője (L=N 2 Λ) is jelentős lehet, emiatt nagyobb frekvenciákon jelentős az induktív reaktanciája (X=2πfL). A lágyvasas műszer használati frekvenciatartománya emiatt általában a hálózati 50 Hz környezetére korlátozódik (az egyenirányítós lengőtekercses műszerhez viszonyítva tehát jóval kisebb ez a tartomány). A lágyvasas műszerek a lökésszerű túlterhelést jól elviselik. Annak köszönhető ez elsősorban, hogy a műszer mozgórészének nincs árammal átjárt tekercselése Lágyvasas voltmérő A lágyvasas voltmérő mérőművének tekercse nagy menetszámú és kis keresztmetszetű, emiatt nagy a belső ellenállása és az érzékenysége, azaz kis áramerősséggel létrehozhatjuk a végkitérést adó gerjesztést. A mérőmű méréshatárát előtétellenállással növelhetjük meg. Az előtétellenállás kis hőmérsékleti együtthatójú anyagból készül, egyben a tekercs hőmérséklete változásából adódó ellenállásváltozást is kompenzálja. Ha a mérendő feszültség U, a gerjesztőtekercs ellenálása R b (és a reaktanciája emellett elhanyagolható nagyságú), az előtét ellenállása R e, akkor az eredő ellenállás R=R b +R e, a műszeren folyó áram - egyen-, és váltakozó áramon egyaránt - I=U/R. A mérőmű karakterisztikáját leíró egyenletbe behelyettesítve a következő összefüggést kapjuk: α = 1 2 C r Δ L Δ α * 1 R 2 U 2 A karakterisztika - a feszültségre nézve - szintén négyzetes, tehát hullámformától függetlenül effektív értéket mér a műszer. Nemszinuszos váltakozófeszültség, hullámos egyenfeszültség felharmonikusainak frekvenciáján a mérőmű tekercsének reaktanciája már jelentős lehet. Az impedancia frekvenciafüggő és nagyobb, mint R e +R b : Z = ( R e + R b ) 2 +( ω L ) 2 Ez a frekvenciahiba oka. A mérendő és a műszeren folyó áram hullámformája nem lesz azonos, az áram felharmonikustartalma (torzítási tényező) kisebb lesz, mint a feszültségé. A feszültség effektív értékének mérésében ez hibát okoz. A frekvenciahiba részleges kompenzálására az

49 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 25.oldal előtétellenállással párhuzamosan kondenzátort kapcsolhatunk. Az ideális állapotot - a frekvenciától független nagyságú impedanciát - így is csak egy meghatározott frekvenciatartományban közelíthetjük meg ábra. Lágyvasas voltmérő több méréshatárral A több méréshatárú lágyvasas voltmérők elvi kapcsolását a ábrán mutatjuk be. A kapcsolás jellegzetessége, hogy kisebb méréshatárokon a műszer tekercsének megcsapolásaihoz csatlakoznak az előtétellenállások. Ezzel a műszer belső ellenállásának és reaktanciájának (az R/X viszony) mindegyik méréshatáron közel azonos lehet, a felharmonikusok hatása és a frekvenciahiba így nem függ a méréshatártól. Kisebb méréshatárokon viszont a voltmérő áramfelvételének nagyobbnak kell lennie, hogy a végkitérést adó gerjesztés a kisebb menetszámú tekerccsel is létrejöjjön. (A lengőtekercses, egyenirányítós lengőtekercses voltmérők áramfelvétele általában valamennyi méréshatáron - végkitérést adó feszültség esetén - azonos.) Így a voltonkénti belső ellenállás is méréshatártól függő, ezért a lágyvasas voltmérők jellemzésére ezt a mennyiséget nem szokás használni. A lágyvasas voltmérők méréshatára néhány V-tól V-ig terjed. Kis - néhány V-os - méréshatáron a lágyvasas voltmérő áramfelvétele jelentős lehet, a 100 ma-t is meghaladhatja Lágyvasas ampermérők A lágyvasas ampermérő - a voltmérőhöz viszonyítva - kis menetszámú és nagy keresztmetszetű tekerccsel készül, belső ellenállása is kicsi. Az ampermérő sorbakapcsolódik a terheléssel, az áram nagyságát és hullámformáját az áramkör szabja meg, az ampermérő impedanciájának erre alig van hatása. A tekercs melegedése következtében fellépő ellenállásváltozás nem befolyásolja a mérés pontosságát, felharmonikustartalmú áram mérése nem jár mérési hibával. Lágyvasas ampermérővel 0, A áramot lehet közvetlenül mérni. A kis méréshatárú ampermérők nagy menetszámú tekercseléssel készülnek, belső ellenállásuk jelentős, a méréshatáron 1 V-ot meghaladó feszültségesés is létrejöhet rajtuk. Minél nagyobb a lágyvasas ampermérő méréshatára, annál kisebb a tekercsének menetszáma (NI egy adott konstrukció esetén állandó), kisebb a belső ellenállása és a feszültségesése. (A lengőtekercses, egyenirányítós lengőtekercses

50 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 26.oldal ampermérők esetén a feszültségesés valamennyi méréshatáron azonos.) ábra. Lágyvasas ampermérő kapcsolása két méréshatárral a) a kisebb méréshatáron; b) a nagyobb méréshatáron Lágyvasas ampermérőt több méréshatárra kétféle módon készítenek. Régebbi gyártású ampermérők esetében gyakran alkalmazták a ábra szerinti megoldást, amellyel 1:2 arányú méréshatár-változtatás érhető el. A méréshatár-váltáskor áthidaló lemezekkel kötjük össze a műszer megfelelő kapcsait, a méréhatár váltása körülményes, csak feszültségmentes állapotban lehetséges. A másik a ábra szerinti - megoldásban nagyobb méréshatárokon a műszer tekercsének megcsapolásaihoz csatlakozunk, a méréshatár átkapcsolóval is váltható mérés közben. Korszerű műszerekben ez az utóbbi megoldás a szokásos. Így kettőnél több méréshatár is megvalósítható, egy műszerrel 1:10 arányú mérési tartomány is átfogható ábra. Lágyvasas ampermérő több méréshatárral Lágyvasas ampermérők méréshatárát söntöléssel sohasem bővítjük, két okból. A kicsi méréshatárú ampermérőn létrejövő feszültségesés nagy (esetleg az 1 V-ot is meghaladhatja), ugyanekkora feszültségesést kellene a söntön is létrehozni, ami igen nagy veszteséget (melegedést és méretnövekedést) okozna. A tisztán rezisztív (ohmos) sönttel párhuzamosan kapcsolódó lágyvasas mérőmű reaktanciája is jelentős, emiatt az áram megoszlása a sönt és a műszer között a vizsgált áramjel frekvenciájától függene, igen nagy lenne a frekvenciahiba.

51 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 27.oldal 3.4. Elektrodinamikus műszerek Az elektrodinamikus műszer felépítése, működése Az elektrodinamikus műszer működése, szerkezete hasonlít a lengőtekercses műszerhez. A ábrán a vasmagos elektromechanikus műszer felépítését vázoltuk fel ábra. A vasmagos elektrodinamikus műszer a) működési elve: 1 állórésztekercs; 2 állandómágnes; 3 lágyvasmag; 4 lengőtekercs b) egyik szerkezeti megoldása: 1 állandómágnes; 2 lágyvas pólussaruk; 3 lengőtekercs; 4 lágyvasmag; Ezen megfigyelhető a lengőtekercses és az elektromechanikus műszer közötti leglényegesebb különbség: a lengőtekercses műszer mágneses terét állandómágnes hozza létre, míg az elektrodinamikus műszerben az állórész tekercsében folyó áram gerjeszti a mágneses teret. A lengőtekercses műszer ( alfejezet, ábra) tárgyalásakor bevezetett fogalmakat, jelöléseket is felhasználva, a ábra alapján határozzuk meg az elektrodinamikus mérőmű egyenáramon mutatott sajátosságait. Az állórész I 1 árama gerjeszti a mágneskört, a műszer légrésében szintén homogén radiális mágneses tér jön létre, az indukció viszont függ az I 1 áramtól. Ameddig nem mágnesezzük telítésbe a vasmagot, a mágneses kört lineárisnak tekinthetjük, így a légrésindukció (B) arányos lesz gerjesztőárammal (I 1 ). A k 1 arányossági tényező a konstrukciótól függő állandó: B = k 1 I 1

52 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 28.oldal A mozgórészben folyó I 2 áram és a mágneses tér kölcsönhatásaként alakul ki a nyomaték. A műszer kitérésének meghatározására használjuk fel a Deprez-műszerre érvényes kapcsolatokat (B=k 1 I 1 helyettesítéssel): ψ = NB l d = Nk 1 I 1 ld α =ψ C r I 2 = N l d k 1 C r I 1 I 2.Az Nldk 1 C r szorzat egy adott műszer konstrukciójától függő állandó, jelöljük ezt k-val, ezzel a statikus karakterisztika: α =k I 1 I 2 Az elektrodinamikus mérőmű tehát egy szorzó mérőmű, az álló és a mozgótekercsében folyó áramok szorzatával arányos a kitérítő nyomatéka és kitérése ábra. Elektrodinamikus műszer áramainak és nyomatékainak időfüggvénye Ha mindkét tekercsben azonos frekvenciájú szinuszos váltakozóáram folyik, a kitérítőnyomaték a két áram pillanatértékének szorzatával arányos, időben nem állandó, átlagértéke függ attól, milyen fáziseltolás van az I 1 és I 2 áram között. A ábrán két speciális esetre (a) φ=0 és b) φ=90 ) felrajzoltuk az áramok és a nyomaték időfüggvényét. A φ=0 -nál lüktető, a φ=90 -nál tiszta lengő nyomatékot kapunk, ez utóbbi átlagértéke nulla. A mozgórész nem követi a nyomaték lüktetését, lengését, hanem a mindenkori átlagértéknek megfelelő kitérésre áll be. ( φ=90 -nál α=0 ). Váltakozóáramon a statikus karakterisztika (a bizonyítás mellőzésével): α =k I 1 I 2 cosφ ahol I 1 és I 2 a két tekercsben folyó szinuszos váltakozóáram effektív értéke, φ a két áram közötti fáziseltolási szög. Váltakozóáramon tehát fázisérzékeny szorzóként működik az elektrodinamikus mérőmű. Ha az I 1 és I 2 egymástól eltérő frekvenciájú szinuszos áram, a mérőműben olyan lengőnyomaték alakul ki, amelynek átlagértéke nulla. Ebből következik az, hogy nemszinuszos áramok esetén csak az azonos rendszámú felharmonikusok kölcsönhatása adhat nullától eltérő átlagértékű nyomatékot. Így például az I 1 áram 50 Hz -es alapharmonikusa az I 2 áram 150 Hz-es harmadik harmonikusával csak a lengő nyomatékot képez.

53 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 29.oldal A vasmagos elektrodinamikus műszer - a viszonylag kicsi mágneses ellenállású mágneskörnek köszönhetően - az állórészen nem igényel túl nagy gerjesztést, nyomatéka nagy, fogyasztása kicsi, viszont a vas jelenléte miatt nem túl pontos (hiszterézis hiba, nemlinearitás), használati frekvenciatartományának felső határa valamivel 50 Hz felett van. A vasmentes elektrodinamikus műszer ( ábra) mágnesköre nem tartalmaz vasat, az indukcióvonalak levegőben záródnak, emiatt jelentős a gerjesztésigénye és nagyobb a fogyasztása, viszont igen pontos lehet, használati frekvenciatartománya 1 khz-ig terjedhet. A vasmentes elektrodinamikus műszer igen érzékeny külső mágneses terekre ábra. A vasmentes elektrodinamikus műszer szerkezete Ez ellen az egyik védekezési mód az asztatikus kivitel ( ábra). Ebben két azonos mérőművet alakítanak ki, a mozgórészeket azonos tengelyre szerelik. Mind az állótekercsekben, mind a mozgótekercsekben ellentétes irányú áramok folynak. A mérőmű kitérítő nyomatékának előjele azonos lesz, ezek összegződnek. A külső zavaró mágneses tér - ha ez homogén - a két mozgótekercs áramával azonos nagyságú, de ellentétes irányú nyomatékot képez, ezek egymással egyensúlyt tartva nem okoznak mérési hibát. Inhomogén mágneses terek ellen az asztatizálás nem véd, a mérőmű mágneses árnyékolása viszont ilyenkor is hatásos. A mágneses árnyékolás egyszeres vagy többszörös, nagy permeabilitású lágyvasból készült köpeny, amely körülveszi a mérőművet. Az elektrodinamikus mérőművek fogyasztása VA körüli érték. A vasmentes műszerek pontossága felülmúlja más váltakozóáramú műszerek pontosságát. A műszerekben általában szárnyas légcsillapítót használnak.

54 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 30.oldal ábra. Az asztatikus elektrodinamikus műszer szerkezetének elve Elektrodinamikus voltmérő, ampermérő Az elektrodinamikus voltmérőben az állórész és a mozgórész tekercse sorbakapcsolódik ( ábra), így mindkét tekercsben azonos áram folyik (I 1 =I 2 =I), az I áram arányos a mérendő feszültséggel. Ennek következtében a feszültség négyzetével arányos nyomaték és kitérés jön létre. Méréshatár bővítés előtétellenállással lehetséges ábra. Elektrodinamikus voltmérő több méréshatárral Az elektrodinamikus ampermérő kialakításának két változatát a ábra mutatja be. Kis áramerősség (I<0,5A) mérésére a műszer két tekercsét sorbakötjük. Nagy áramerősség mérésekor a két tekercset párhuzamosan kötjük. Az áram négyzetével arányos kitérés és nyomaték jön létre. A méréshatár bővítése 1:2 arányban - a lágyvasas műszerhez hasonlóan - tekercsátkapcsolással lehetséges.

55 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 31.oldal ábra. Elektrodinamikus ampermérő a) kis áramok mérésére; b) nagy áramok mérésére Mind a feszültségmérő, mind az árammérő egyen- és váltakozóáramon egyaránt használható, a hullámformától függetlenül effektív értéket mér. Az elektrodinamikus mérőművet feszültség és áramerősség mérésére preciziós laboratóriumi mérőműszerekben használják (a vasmentes tipust). Az ilyen műszerek fogyasztása néhány VA (általában nagyobb, mint a lágyvasas műszeré), pontossági osztályuk jobb lehet, mint 0,1. Használati frekvenciatartományuk felső határa 1 khz körüli érték. A feszültségmérés tartománya V, az áramerősség 30 ma A tartományban lehetséges Elektrodinamikus wattmérő Az elektrodinamikus mérőmű szorzó mérőmű, így magától értetődő, hogy teljesítmény mérésére használjuk. A ábrán figyelhetjük meg a wattmérő kapcsolásának sajátosságait. A mérőmű állótekercsén a fogyasztó árama folyik keresztül, a mozgótekercset - egy előtétellenállást is közbeiktatva - a fogyasztó feszültségére kapcsoljuk. A mozgótekercs eredő ellenállása R=R e +R b2. A mozgótekercsen folyó áram I 2 =U/R, az állótekercsé I 1 =I, ezzel a statikus karakterisztika egyenáramon: α =k I 1 I 2 = ki U R = k R UI α =k, P ábra. Elektrodinamikus wattmérő

56 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 32.oldal Szinuszos váltakozóáramon: α =k, UI cos φ= k, P Nemszinuszos váltakozóáramok teljesítménye is mérhető az elektrodinamikus wattmérővel, mivel ez minden hullámformánál a feszültség és az áramerősség pillanatértékei szorzatának átlagával arányos kitérést ad. Ilyen jeleknél viszont - a frekvenciahiba miatt - esetleg kisebb mérési pontosságra számíthatunk. Az elektrodinamikus wattmérő tehát egyenáramon és váltakozóáramon egyaránt alkalmas teljesítmény mérésére, a váltakozóáram hatásos teljesítményét méri. Szinuszos jelekre vektorábrán ábrázolva a kapcsolatokat ( ábra), a P=UI cos φ hatásos teljesítmény a feszültség és az áram feszültség irányába eső I w =Icos φ vetületének - az áram hatásos komponensének - szorzata ábra. A hatásos és meddő teljesítmény értelmezése a vektorábrában A wattmérők esetében a feszültség és az áram méréshatárának váltására külön-külön szükség van. A feszültség (mozgótekercs) méréshatára előtétellenállásokkal növelhető. Az áram-méréshatár - a lágyvasas árammérőknél megismert elven - az állórész két azonos menetszámú féltekercsének soros, ill. párhuzamos kapcsolásával 1:2 arányban változtatható ábra. Wattmérő több méréshatárral

57 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 33.oldal A ábrán egy több méréshatárú wattmérő kapcsolását mutatjuk be. A feszültség méréshatár váltása átdugaszolással, az áram méréshatár egy vagy két áthidaló dugó megfelelő elhelyezésével váltható. Ha egy dugóval az 1 jelű félhüvelyek között áthidalást hozunk létre, a két áramtekercs sorbakapcsolódik (ez a kisebb méréshatár). Az 1 jelű félhüvelyek között bontva a kapcsolatot és mindkét 2 jelű félhüvely-párnál egy-egy dugóval áthidalást létesítve, az áramtekercsek párhuzamosan kapcsolódnak (ez a nagyobb méréshatár). Nem szakad meg az áramkör a méréhatárváltás során, ha legalább egy dugó - bármelyik helyen - a műszerben marad. (Baj nem származhat abból, ha az átkapcsolás során átmenetileg az 1 és 2 jelű félhüvely-párokban egyszerre van áthidaló dugó.) A wattmérő műszerállandója a feszültség-méréshatár, áram-méréshatár, a műszer névleges teljesítménytényezője és a skálaterjedelem alapján határozható meg. Ha a műszeren külön nem jelzik, akkor a névleges teljesítménytényező cos φ n =1. Ritkán készítenek wattmérőt ettől eltérő (pl. cos φ n =0,2) teljesítménytényezőre. A teljesítmény-méréshatár (P n ) a feszültség-méréshatár (U n ), áram-méréshatár (I n ), a névleges teljesítménytényező (cos φ n ) alapján: P n =U n I n cos φ n A névleges teljesítmény és a skálaterjedelem (végkitérés, α v ) alapján a műszerállandó: C = P n α v A műszerállandó mértékegysége a W/skálafok. Sok esetben a műszer skálalapján a különböző méréshatárokon érvényes műszerállandót feltüntetik. Pl. 300 V feszültség-méréshatár, 5 A áramméréshatár 150 skálaterjedelem esetén a műszerállandó 300*5/150=10 W/skálafok ábra. A wattmérő helyes alkalmazási módja, bekötése A wattmérő helyes alkalmazását, bekötését a ábra mutatja be. A wattmérővel együtt mindig ajánlatos a feszültség és az áramerősség ellenőrzésére egy voltmérőt, ill. ampermérőt is

58 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 34.oldal használni, mivel csak a wattmérő kitéréséből nem következtethetünk annak esetleges túlterhelésére. Legyen például a wattmérőnk feszültség-méréshatára 300 V, áram-méréshatára 5 A, skálaterjedelem 150, a teljesítmény-méréshatár ekkor 300 5=1500 W, a műszerállandó 10W/skálafok. Ha fogyasztónk 220 V feszültség mellett 10 A áramfelvételű és teljesítménytényezője cos φ=0,5, akkor ennek hatásos teljesítménye ,5=1100 W. A wattmérő ennek hatására csak 110 -ot tér ki, bár az áramtekercsben folyó áram a megengedett érték kétszerese (az áramtekercsben keletkezett hő négyszeres), így az áramtekercs tönkremenetelével számolhatunk. Az áramerősség ellenőrző mérésével ilyen esetek elkerülhetők. A wattmérő polaritás érzékeny műszer, negatív kitérítő nyomaték is adódhat, ekkor a műszer bal oldali szélső helyzetben (a skála nullpontjától balra) ütközik fel. Pozitív kitérítő nyomatékot és kitérítést kapunk akkor, ha - fogyasztó esetén - a ábra szerinti bekötési módot alkalmazzuk. A feszültség, ill. áramág egyik kapcsát a műszeren *-gal megjelölik (régebbi műszereken a feszültségágét az ~ az áramágét I k is jelölheti). Az áramtekercs csillaggal jelzett kapcsa a hálózatra csatlakozik. A feszültségtekercs csillaggal jelzett kapcsát általában az áramtekercsnek a fogyasztóhoz kapcsolódó sarkához kötjük, ekkor a feszültségtekercs a fogyasztó feszültségét méri, az áramtekercsen viszont átfolyik a feszültségtekercs kicsi (néhány ma-es) árama is, de ez általában elhanyagolható hibát okoz. Köthetnénk a feszültségtekercset az áramtekercs hálózat felöli kapcsára is, ekkor az áram érzékelése helyes, a feszültségtekercs viszont az áramtekercs feszültségesésével növelt feszültséget érzékeli. Az utóbbi kapcsolási mód általában nagyobb mérési hibát okoz, mivel az áramtekercsen a feszültségesésé - főleg a kis áram-méréshatárú műszerek esetében - jelentős lehet. A wattmérőket sok esetben ellátják egy polaritásváltó kapcsolóval, amellyel a feszültségtekercs áramiránya megfordítható. Ez különösen a háromfázisú hálózatokban való teljesítménymérés esetén hasznos szolgáltatás. A háromfázisú teljesítménymérés módszereivel a 10. fejezetben foglalkozunk. A wattmérők igen nagy választékban, különböző célokra készülnek. A kapcsolótáblába építhető wattmérők vasmagos tipusúak, pontossági osztályuk 1,5. Az üzemi, laboratóriumi műszerek vasmentes, vassal árnyékolt kivitelűek, pontossági osztályuk 0,1 is lehet. Használati frekvenciatartományuk 1 khz-ig terjedhet. A feszültségág áramfelvétele néhány ma, az áramág teljesítménye 1 VA körüli érték. A preciziós wattmérők feszítettszálas csapágyazással és fénymutatóval készülnek. Ezek feszültség-méréshatára V, áram-méréshatára 25 ma A tartományba esik Elektrodinamikus meddőteljesítmény-mérő Az elektrodinamikus mérőművel egyfázisú hálózat meddő teljesítménye is mérhető, ha a feszültségágba fojtótekercset iktatunk be, ezt az ágat tiszta induktívvá tesszük. Így a feszültségágban az áram a feszültséghez viszonyítva 90 -kal késik (a wattmérőnél a feszültséggel fázisban van), emiatt a kitérítő nyomaték az áram meddő összetevőjének és a feszültségnek a szorzatával - azaz a meddő teljesítménnyel - lesz arányos. Ezt a lehetőséget a gyakorlatban alig használjuk, mivel az ezen az elven működő műszer frekvenciahibája - a feszültségág frekvenciafüggő impedanciája miatt - igen nagy lenne. Egyfázisú meddő teljesítmény mérésére ritkán van szükség, ekkor viszont más mért jellemzőkből számíthatjuk (lásd a 9. fejezetet). A háromfázisú meddő teljesítmény mérésének a kérdéseivel a 10. fejezetben foglalkozunk.

59 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 35.oldal 3.5. Elektrodinamikus hányadosmérő Az elektrodinamikus hányadosmérő - szerkezetét tekintve - az állandómágneses hányadosmérővel és az elektrodinamikus wattmérővel mutat hasonlóságot. Mozgórésze két, egymáshoz viszonyítva elékelt és egymáshoz rögzített tekercsből áll (mint az állandómágneses hányadosmérőé), a mozgótekercsek az álló, árammal átjárt tekercs által gerjesztett mágneses térben helyezkednek el (mint a wattmérő esetében is). A mozgórészre rugó visszatérítő nyomatéka nem hat, az árambevezetés nyomatékmentes. Az elektrodinamikus hányadosmérő vasmagos és vasmentes kivitelben is megvalósítható. A a) ábrán a vasmentes elektrodinamikus hányadosmérő elvi felépítését és egyfázisú teljesítménytényező-mérőkénti (cos φ mérőkénti) alkalmazását ábrázoltuk, a b) ábrán a vasmagos hányadosmérő szerkezeti megoldása szerepel ábra. Az elektrodinamikus hányadosmérő a) működési elve; b) A vasmagos hányadosmérő szerkezete 1,2 mozgórésztekercs; 3 állórésztekercs; 4 állórész

60 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 36.oldal Az állótekercs (áramtekercs) a Z t terhelő impedanciával sorbakapcsolódik. A 90 -kal elékelt, egymáshoz rögzített mozgótekercs-pár képezi a mérőmű feszültségtekercsét. Az 1 jelű tekercset a vele sorbakötött fojtótekerccsel tiszta induktívvá tettük, a 2 tekercs pedig tiszta ohmosnak tekinthető. Mindkét tekercs a Z t terhelő impedancia feszültségét érzékeli. A 90 -os térbeli eltolású tekercsekben így 90 -os fáziseltolású áramok alakulnak ki. Az áramtekercs homogén mágneses teret hoz létre, az indukció arányos az állótekercsben folyó árammal és fázisban azzal. A mozgótekercsekre ható nyomatékok ellentétes értelműek, a mozgórész olyan helyzetbe fog beállni, hogy a két nyomaték egyensúly tartson egymással. Ez akkor következik be, ha a mozgótekercsek szögelfordulása ( α ) éppen megegyezik a fogyasztó áramának fáziseltolási szögével ( φ ). (Ez az állítás a kereszttekercses hányadosmérőhöz hasonló gondolatmenettel igazolható.) α =φ Az elektrodinamikus hányadosmérő tehát a fázisszög mérésére is alkalmas. Minden esetben a cosφ értékekre skálázzák, néha ezen felül a fázisszög ( φ ) értékét feltüntetik egy külön skálán. A cos φ =1 ( α =0) helyzet középen van, az induktív, ill. kapacitív fáziszögek tartománya ettől mérten jobbra, ill. balra helyezkedik. A legkisebb mérhető teljesítménytényező 0,4... 0,5. Az egyfázisú teljesítménytényező-mérőt nem szokták több méréshatárúra készíteni, különösen a feszültségágban volna ezt körülményes megvalósítani. Az áramtekercs névleges árama többnyire 5 A, a névleges feszültség V. A feszültségág impedanciája frekvenciafüggő ( az egyik tekercs köre tiszta induktív), ezért ez a műszer csakis azon a frekvencián mér megfelelő pontossággal, amelyen kalibrálták. Jelentős mértékben nőhet a mérés hibája, ha a feszültség és/vagy az áram jóval kisebb, mint a névleges érték (a méréshatár). Az okok hasonlóak az állandómágneses hányadosmérőnél elmondottakkal (csapsúrlódás, nem nyomatékmentes árambevezetés). Az egyfázisú cos φ -mérő pontossági osztálya 1 körüli érték. Fogyasztása a wattmérőéhez hasonló. Azért, hogy a túlterheléseket elkerüljük, a cos φ -mérő esetében is ajánlatos a feszültséget és az áramerősséget egyidejüleg mérni. Nemszinuszos jelek esetén mutatott viselkedésének kérdéseivel nem foglalkozunk ábra. Háromfázisú cos φ-mérő

61 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 37.oldal Szimmetrikus háromfázisú hálózatban használható a háromfázisú cos φ mérő ( ábra). A mozgótekercs áramának fáziseltolását úgy valósítjuk meg, hogy a tekercseket - előtétellenállást is beiktatva - az U RS és U RT vonali feszültségekről tápláljuk. Így 60 -os fáziseltolás hozható létre, a tekercsek elékelési szögét is ezzel összhangban választjuk meg. A feszültségtekercsek köre tiszta ohmos, frekvenciahiba nem jön létre, a feszültség-méréshatár az előtétellenállással változtatható. Aszimmetrikus hálózat esetén igen jelentős járulékos hibával mér a műszer. 3.6.Elektrosztatikus műszerek Az elektrosztatikus műszerekben az elektrosztatikus erőhatásokat - villamos töltések közötti vonzó- és taszító erőket - használjuk fel nyomatékképzésre. A ábrán az elektrosztatikus műszer egyik típusának, a kvadráns elektrosztatikus műszernek a szerkezetét és feszültségmérőkénti alkalnazását mutatjuk be. A mozgórészt egy piskóta alakú lemez, az állórészt négy negyedkör alakú lemez (kvadráns) alkotja ábra. A kvadráns elektrosztatikus voltmér6o szerkezete

62 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 38.oldal 1 mozgórész; 2 kvadránsok; 3 tükör; 4 feszítettszálas csapágyazás; A szemközti kvadránsok vannak összekötve egymással, a mozgórészt is összekötjük az egyik kvadráns-párral. Egyenfeszültséget rákapcsolva a mérőműre, a mozgórész és a kvadránsok között vonzó- és taszító erők ébrednek (az ábrán nyilakkal jelöltük az erők irányát), a mozgórészre forgatónyomaték hat. A kitérítő nyomaték nagyságát a mérőműben tárolt energia megváltozásának alapján határozhatjuk meg. A tárolt energia: W = 1 2 CU 2 A mozgórész elfordulása C kapacitásváltozással jár, ez okozza az energiaváltozást. A kitérítő nyomaték és a kitérés: M k = 1 2 * ΔC Δα U 2 α = 1 2 C r ΔC Δ α U 2 A kitérítő nyomaték a feszültség négyzetével arányos, így a műszer a hullámformától függetlenül effektív értéket mér, egyenáramon és váltakozóáramon egyaránt használható. A mérőmű nyomatéka kicsi, ezért kizárólag függesztőszálas vagy feszítettszálas csapágyazással és fénymutatóval készül. Több - a ábra szerinti - elemet egymásra építve, a nyomaték fokozható, ekkor a méréshatár 10 V-ra is leszorítható. A legnagyobb méréshatár néhány kv lehet. Az elektrosztatikus voltmérő közel ideális kondenzátornak tekinthető, az átvezetés ellenállása gigaohm nagyságrendű. Egyenáramon gyakorlatilag fogyasztásmentesen mér. Váltakozóáramon a műszer kapacitív töltőáramot vesz fel, 50 Hz-en ez néhány mikroamper nagyságú. A műszer 1 MHz frekvenciáig használható, nagyobb frekvenciákon az áramfelvétel nő (I=U/X C =UωC). Az elektrosztatikus műszer - az igen nagy belső ellenállás és felső méréshatára miatt - előnyösen használható a nagyfeszültségű technika és a szigeteléstechnika területén. Más konstrukciós megoldásban (Starke-Schrőder-rendszerű voltmérő) megavolt nagyságú feszültségek is mérhetők vele Ikerfémes műszerek Az ikerfém (bimetall) két, jelentősen eltérő hőtágulási együtthatójú fémből összehengerelt szalag, amely melegítve a kisebb hőtágulási együtthatójú fém oldala felé görbül. Az ikerfém szalagot melegíthetjük a rajta átvezetett árammal, az alakváltozással mutatót működtethetünk, így áramerősség mérésére adódik lehetőságünk. Az ikerfémes árammérő felépítését az ábra mutatja be. A környezeti hőmérsékletváltozás hatásának kompenzálására az ikerfémes műszerekbe árammentes ikerfémet is beépítenek megfelelő módon. Az ikerfémes műszer hullámformától függetlenül az áram effektív értékét méri, nyomatéka igen nagy. A beállási ideje igen hosszú, min is lehet (más mutatós műszerek néhány s-os beállási

63 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 39.oldal idejével szemben), így ezek a műszerek mindig egy adott időpontot megelőző néhány min. átlagos áramának megfelelő értéket mutatnak. Villamos gépek, transzformátorok, kábelvonalak - melegedés szempontjából mértékadó - terhelőáramának mérésére ezért jól használhatóak. A nagy nyomaték lehetővé teszi, hogy a műszer mutatója egy másik vont maximummutatót magával vigyen, amely az üzemidő alatt elért legnagyobb áramértéknél kitérve marad. Az ikerfémes műszerek általában kapcsolótáblába építhető változatban készülnek, pontossági osztályuk 3, fogyasztásuk néhány VA ábra. Az ikerfémes ampermérő szerkezete 1 árammal fűtött ikerfémszalag; 2 árambevezetés; 3 kompenzáló ikerfémszalag; 4 hőszigetelö tárcsa 3.8. Rezgőnyelves frekvenciamérő A rezgőnyelves frekvenciamérőben a mechanikai rezonancia jelenségét használjuk fel mérésre ábra. A rezgőnyelves frekvenciamérő

64 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 40.oldal 1 elektromágnes; 2 lágyvaslemez; 3 alaplemez; 4 tartó; 5 rezgőnyelvek; 6 skálalap A ábra a Frahm-féle rezgőnyelves frekvenciamérőt mutatja be. Az 1 elektromágnest a vizsgált áramforrás táplálja, ez a 2 lágyvas lemezre vonzóerőt gyakorol. A 2 lemez a 3 rugalmas alaplemezre van erősítve a 4 tartó közvetítésével. A 2 lemezre a gerjesztés előjelétől függetlenül mindig vonzóerő hat, a lemezre ható erő frekvenciája kétszerese a vizsgált jel frekvenciájának. A tartóra vannak erősítve az egymástól egyenletes lépésközzel elhangolt 5 rezgónyelvek. A rezgőnyelveket az elektromágnes a 2 lemez és a 4 tartó közvetítésével rezgésbe hozza, de jól érzékelhető amplitúdóval csak azok a nyelvek rezegnek, amelyek önfrekvenciája a gerjesztőerő frekvenciájának közelébe esik. A leolvasás felbontóképességét a lépésköz szabja meg, becsléssel - a szomszédos nyelvek rezgési amplitúdója alapján - interpolálásra is lehetőségünk van. A rezgőnyelves frekvenciamérőket általában a hálózati frekvencia ellenőrzésére használják, mérési tartományuk 50 Hz szűk környezetére korlátozódik, a szokásos lépésköz 0,5 Hz, így 0,25 Hz felbontóképességgel olvashatjuk le a frekvenciát. Pontossági osztályuk 0,5, V feszültségről táplálhatók, fogyasztásuk néhány VA. Ellenőrző kérdések 1. Melyik a legnagyobb áramérzékenységű (legkisebb áram-méréshatárú) műszertípus? 2. Melyik a legkisebb fogyasztású műszertípus? 3. A voltmérők méréshatára növelésének mi a leggyakoribb megoldása? 4. Milyen műszertípusok áram-méréshatára növelésére alkalmazunk söntöt illetve tekercsátkapcsolást vagy -megcsapolást? 5. A következő három csoport melyikébe sorolja az eddig megismert feszültségmérő műszereket: a) csak egyenfeszültségen használható; b) egyenfeszültségen és váltakozófeszültségen is használható, a hullámformától függetlenül effektív értéket mér; c) csak váltakozófeszültségen mér, és csak szinuszos jel esetén mér effektív értéket? 6. Milyen ellenállásmérő műszereket ismerünk? 7. Melyik műszertípusok esetén változik meg a kitérés iránya akkor, ha a bekötés polaritását megcseréljük? 8. Milyen típusú műszerekkel mérhetünk 50 Hz-nél nagyobb (néhányszor 100 Hz) frekvencián is? 9. Hogyan kerülhetjük el a wattmérő és a cos φ-mérő túlterhelődését? 10. Az elektrodinamikus műszerek milyen mennyiségek mérésére használhatók?

65 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 4. Regisztráló műszerek 4.1. A regisztráló műszerek általános jellemzői, osztályozásuk A regisztráló műszerek a mérendő mennyiség változását rajzolják fel, az idő vagy más változó mennyiség függvényében. Szerepükre vonatkozóan két szempontot említünk meg: - aperiodikus, tranziens jelenségek vizsgálatára adnak lehetőséget, - a mért mennyiségek változását rögzítve mintegy naplózzák az eseményeket, a technológiai folyamatok optimalizálását, az üzemzavarok elemzését és előrejelzését segíthetik. A regisztráló műszereket különböző szempontok szerint osztályozhatjuk. A működési sebesség, a legnagyobb frekvenciájú vizsgálható jel (felső határfrekvencia) alapján lassan rajzoló és gyorsan rajzoló műszerekről beszélhetünk. A lassan rajzoló műszerek közül a vonalíróval és a pontíróval foglalkozunk, a gyorsan rajzoló műszerek közül az oszcillográffal. Közvetlen vagy közvetett működésű regisztráló műszerről beszélünk attól függően, hogy a mérendő mennyiség közvetlenül vagy valamilyen átalakító ( erősítő, szervorendszer stb.) beiktatásával vezérli az írószerkezetet. A regisztrátum rögzítésének módja igen változatos. Leggyakrabban papíron tintával, festékkel hozzuk létre a regisztrátumot. A gyors regisztrálók többnyire optikai úton, fényérzékeny adathordozón rögzítik a jelenségeket. A regisztráló műszerek többsége a vizsgált jelet az idő függvényében ábrázolja, ezeket általában állandó sebességgel haladó - esetenként fényérzékeny - papírszalagon rögzíti. Ha a független változó nem az idő, a függvénykapcsolatok regisztrálására a kétkoordinátás regisztrálóműszereket (X-Y regisztráló, X-Y recorder) használhatók. Ezek általában szabványos méretű (A4, A3... ) sík papírlapra rajzolnak Lassan rajzoló műszerek Az ebbe a csoportba tartozó regisztrálók közül az energetikai és technológiai berendezések műszerezésében nagy szerepet játszó, kapcsolótáblába építhető regisztráló műszerekkel foglalkozunk röviden. Az ilyen regisztrálók naplózó funkciót töltenek be. A regiszrtátumot függőlegesen lefelé haladó, általában 120 mm széles mm írásszélességű - papírszalagon hozzák létre. A papírt szinkron motor által működtetett hajtómű továbbítja, a haladási sebesség mm/h tartományban van, egy műszeren belül is néhány fokozat állítható.

66 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal Vonalírók A vonalírók mérőműve mutatójának végére írótoll van erősítve, a toll az állandó sebességgel haladó papírszalaggal érintkezik és ezen hozza létre a folytonos vonalú regisztrátumot (4.-1. ábra). A mutató nem a szokásos módon csatlakozik a mérőműhöz, a kissé bonyolultabb mechanizmus arra való, hogy a mutató vége - az írótoll - mozgásának pályája közel egyenes, a papír haladási irányára merőleges legyen. Az itt ábrázol - ún. kulisszás - egyenesbevezetési mód egy lehetőség a számos megoldás közül ábra. A vonalíró szerkezete 1 mozgótekercs; 2 írótoll; 3 papírszalag; 4 mutató; 5 kulissza; A vonalíró működtetésének nyomatékigénye nagy, ez nagyrészt a toll és a papír közötti súrlódásból adódik. Emiatt a fogyasztása is jelentős, így a közvetlen működési regisztrálókkal általában energiaelosztó hálózatok jellemzői (feszültség, áramerősség, teljesítmény) regisztrálhatók, kis teljesítményt adó jelforrásoké (hőelem, fényelem) nem. A mérendő mennyiségtől függően a mérőmű lengőtekercses, elektrodinamikus vagy indukciós mérőmű lehet. (Az indukciós mérőművel az 5. fejezetben, a fogyasztásmérő kapcsán foglalkozunk.) A súrlódás miatt a pontossági osztályuk 1,5-nél nem jobb. A közvetett működésű (erősítőt vagy zárt hatásláncú szervorendszert tartalmazó) regisztráló műszerek a mérőkörben is segédenergiát használnak fel, alig terhelik a jelforrást, pontosságuk is felülmúlja a közvetlen működésű vonalírókét.

67 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal Pontírók A pontírók mintavételesen mérnek, regisztrálnak. Az ábrán figyelhetjük meg a pontíró működési elvét ábra. A pontíró szerkezete 1 mutató; 2 ejtőkengyel; 3 festékszalag; 4 papírszalag; 5 emelőkar; 6 excentertárcsa A mérőmű mutatójának vége ékalakú kiképzésű, az ék éle a regisztráló papír felé, a talpa a mutató felett elhelyezkedő ejtőkengyel felé néz. A mutató és a papír között - az írógépszalaghoz hasonló - festékkel átitatott szalag van kifeszítve teljes papírszélességben. A mutató - a mérés, a mintavétel pillanatától eltekintve - szabadon be tud állni, nem érintkezik sem az ejtőkengyellel, sem a festékszalaggal. A papírt továbbító szinkron motor vezérli az ejtőkengyelt is: a mérés pillanatában az ejtőkengyel kitámasztása megszűnik, ez a súlyából adódó erővel nekiszorítja a mutatót és a festékszalagot a papírnak, mutató mindenkori helyzetének megfelelő helyen így egy pont jelenik meg a regisztrátumon. Ezt követően az ejtőkengyel megemelkedik, a mutató ismét szabadon beállhat a mért értékre. A pontírókban kis nyomatékú és fogyasztású mérőműveket alkalmazhatunk, az érzékenységet feszítettszálas csapágyazással is fokozhatjuk. A pontírók ezért alkalmasak kis teljesítményű jelforrások jelének mérésére és rögzítésére. Legjellegzetesebb felhasználási területük az ellenálláshőmérővel vagy hőelemmel való hőmérsékletmérés. Ellenálláshőmérő esetén kereszttekercses hányadosmérőt, hőelem esetén lengőtekercses mérőművet használunk. A mintavétel s-onként játszódik le, a regisztrátum pontok sorozatából áll. A pontírók kialakíthatók úgy, hogy több mérőhely adatai - eltérő színekkel - rögzíthetők legyenek. A mérőhelyek számával azonos számú, de különböző színű festékszalagot erősítenek egy elfordulásra képes tartókeretre, a pontírót ellátják ezen felül egy mérőhelyátkapcsolóval. A szinkron

68 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal motor által hajtott mechanizmus összehangoltan működteti, mozgatja az ejtőkengyelt, a mérőhelyátkapcsolót és a színszalagtartó keretet. A mérőhely átkapcsolásával egyidejűleg mindig más színű szalag kerül a mutató éle és a papír közé, ezt követően szorítja az ejtőkengyel a mutatót és a festékszalagot a papírhoz. Valamennyi mérőhelyet letapogatva, a folyamat - az első mérőhelyről indulva - ismétlődik. A több mérőhelyes (többcsatornás) pontírókat pontszíníróknak is nevezik. A mérőhelyek max. száma általában 6. Minél nagyobb a csatornaszám, egy-egy mérőhelyen a mintavételre annál ritkábban kerül sor (pl. 6 mérőhely, 20 s-onkénti leütés esetén 6*20 s-onként, azaz két min-ként kerül sorra egy-egy mérőhely) Gyorsan rajzoló regisztrálók A gyorsan rajzoló regisztrálók közül az oszcillográffal foglalkozunk néhány szóban. Az oszcillográf mérőműve állandómágneses mérőmű, a Deprez-műszerrel azonos elven működik (4.-3. ábra) ábra. Az oszcillográf működési elve A mérőmű lelke egy egymenetes tekercs, az oszcillográf hurok, amelyet az állandómágnes terében feszítenek ki. A hurokra kistömegű tükröt erősítenek. A hurokban folyó áram és a mágneses tér kölcsönhatására a hurok vezetőiben ellentétes irányú erők alakulnak ki, a hurok vezetői behajolnak, a tükör síkja elfordul. A tükör elfordulását fénymutatóval tehetjük érzékelhetővé. A fénymutató fénypontja egyenletes sebességgel futó fényérzékeny papírra vetődik, a vizsgált áramjel időfüggvénye így ezen rögzítődik. Az oszcillográf hurok is egy lengőképes rendszert képez. minél nagyobb a hurok önfrekvenciája, annál nagyobb frekvenciájú áramjelek pillanatnyi változását képes követni. Különböző, 10 Hz khz önfrekvenciájú hurkokat készítenek, a nagyobb önfrekvenciájú hurkok érzékenysége kisebb

69 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal (nagyobb az áramfelvétele). A torzítatlan átvitel érdekében a hurok megfelelő csillapításáról kell gondoskodni (néha ezt úgy oldják meg, hogy a hurkot folyadékba helyezik). Az oszcillográf hurokkal feszültség és áramjel is regisztrálható. Előtét, ill. sönt alkalmazásával lehet a szükséges méréshatárt elérni. Az alapegységben általában több hurok is elhelyezhető (ezek száma elérheti a 12-t), így több független jel egyidejűleg rögzíthető. a hurkok cserélhetők, a mérési feladathoz igazodóan választhatjuk meg őket. Nemperiodikus, tranziens, nemszinuszos periodikus jelek egyaránt rögzíthetők, a felső határfrekvencia -10 khz-es önfrekvenciájú hurkot használva - 3 khz körüli értékre adódik. A papír haladási sebessége az 1 mm/s...5 m/s tartományban választható meg. Ellenőrző kérdések 1. Milyen szerepet játszanak az ipari folyamatok műszerezésében a regisztráló műszerek? 2. Miben hasonlítanak a vonalírók és a pontírók a fogyasztás és az alkalmazási terület szerint? 3. Milyen gyorsan rajzoló műszereket ismerünk, és mire használjuk ezeket?

70 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 5. Fogyasztásmérők 5.1. Az indukciós mérőmű felépítése, működése Az indukciós mérőművek mozgórésze jól vezető fémből (réz, alumínium) készült dob, tárcsa vagy zárt keret. Az állórész egy vagy több gerjesztőtekercset tartalmaz, ezeken váltakozóáramot vezetünk át. A váltakozóáram váltakozó mágneses teret gerjeszt, ez a mozgórészben örvényáramokat kelt. A mozgórész örvényáramai és az állórész mágneses tere kölcsönhatásaként jön létre kitérítőnyomaték. A működési elvből következik, hogy az indukciós mérőmű kizárólag váltakozóáramon használható ábra. A dobos indukciós műszer szerkezete 1,2 gerjesztőtekercsek, 3 vasmag, 4 dob (mozgórész) Az ábrán a dobos indukciós műszer felépítését vázoltuk. Az állórész kiálló pólusain két gerjesztőtekercs-pár helyezkedik el. Az 1 tekercsben folyó I 1 áram a Φ 1, a 2 tekercs I 2 árama a Φ 2 fluxust hozza létre. Az 1 és a 2 tekercsek tengelye merőleges egymásra (azaz a tekercsek térbeli elforgatási szöge 90 ), a Φ 1 és Φ 2 fluxus iránya egymásra merőleges. Ha a két tekercsben folyó áram fázishelyzete azonos, a két tekercs által gerjesztett fluxus eredője lüktető fluxus, ennek hatására nem jön létre kitérítő nyomaték, bár örvényáramok ekkor is indukálódnak. Ha az I 1 és I 2 áram azonos nagyságú és az áramok közötti fáziseltolási szög β=90, akkor a tekercsek térbeli eltolási szöge és az ezekben folyó áramok időbeli, fáziseltolási szöge azonos. Ilyenkor az eredő fluxus nagysága állandó, az iránya viszont - egyenletes szögsebességgel forogva - változik, azaz forgó mágneses tér jön létre. A forgó mágneses tér és az általa indukált örvényáramok kölcsönhatásaként - a Lenztörvény értelmében - olyan kitérítő nyomaték keletkezik, amely a forgó mágneses tér irányába

71 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal igyekszik elmozdítani a mozgórészt. Az indukciós mérőmű - a működés alapelvét tekintve - az indukciós motorhoz (aszinkron motorhoz) hasonlít. Az indukciós mérőmű nyomatéka - az összefüggés bizonyításától eltekintve - a következő módon alakul (ha a mozgórész örvényárampályái tisztán ellenállás jellegűek): M k = c f I 1 I 2 sin β A két tekercsben azonos f frekvenciájú áramoknak kell folyniuk, a kitérítő nyomaték arányos a frekvenciával, az áramok effektív értékével és a közöttük lévő fáziseltolási szög szinuszával. A c az adott műszer konstrukciójától függő állandó. Az indukciós mérőmű szintén szorzó mérőmű, a frekvenciára és a fázishelyzetre érzékeny. Mutatós mérőműszerként - az elektrodinamikus műszerhez hasonlóan - feszültség, áramerősség és teljesítmény mérésére használható, de csak váltakozóáramon. Az indukciós mérőműnek igen nagy a nyomatéka, de nagy a fogyasztása is. Mutatós indukciós mérőműveket nem gyártanak, a nagy nyomatékigényű vonalírókban esetleg találkozhatunk még velük. Az indukciós mérőmű legfontosabb alkalmazási területe a fogyasztásmérés Indukciós fogyasztásmérő ábra. Az egyfázisú indukciós fogyasztásmérő szerkezete 1 áramtekercs, 2 feszültségtekercs, 3 tárcsa, 4 fékmágnes Az indukciós fogyasztásmérő szerkezeti vázlatát az ábra mutatja. A műszer forgórésze alumíniumtárcsa. A tárcsára két váltakozóáramú tekercs és egy állandómágnes fluxusa hat. A tárcsa szabadon elfordulhat, a tárcsához fogaskerék-hajtómű közbeiktatásával mechanikus számlálószerkezet kapcsolódik. A mérőmű egyik - kis menetszámú, nagy keresztmetszetű - tekercse a fogyasztóval sorba kapcsolódik, a fogyasztó I árama folyik át rajta. Ez az áramtekercs. A feszültségtekercs a fogyasztóval párhuzamosan kapcsolódik. Ez nagy menetszámú, a mágneses

72 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal körében a légrés viszonylag kicsi, emiatt a mágnes vezetőképessége ( Λ ) és önindukciós tényezője nagy (L u =N 2 Λ). A feszültségtekercs emiatt közel tiszta induktív impedanciájú (X u =ω L u jóval nagyobb, mint a feszültségtekercs ellenállása), így a feszültségágban folyó I u áram a feszültséghez viszonyítva 90 -al késik (5.-2. ábra). A két tekercsben folyó gerjesztőáram fázisszöge és a fogyasztó feszültsége és árama közötti fázisszög kapcsolata: β = 90 o -φ A tárcsára ható nyomaték, az I 1 = I u és I 2 = I helyettesítéssel: M k = c f I 1 I 2 sin β = c f I u I sin ( 90 o -φ ) A feszültségtekercsben folyó I u áram arányos az U feszültséggel, nagysága a feszültségtekercs X u reaktanciájától is függ: I u = U = U X u 2πfL u A kitérítő nyomaték a helyettesítés és azonos átalakítás után: U M k = c f I cosφ 2 πf L u M k = c UI cosφ = c, P 2π L u A fogyasztásmérő mérőművében a fogyasztó hatásos teljesítményével arányos nyomaték keletkezik. A c' a műszer konstrukciójától függő állandó. A nyomaték - ideális esetben - független a frekvenciától. A kitérítő nyomaték hatására a tárcsa forogni kezd. A tárcsát az állandómágnes (a fékmágnes) fluxusa is átjárja. Ha forog a tárcsa, a fékmágnes fluxusa is indukál örvényáramokat a fékmágnes környezetében. A Lenz törvény értelmében a fékmágnes tere és az örvényáramok kölcsönhatásaként fékezőnyomaték jön létre. A fékezőnyomaték a tárcsa szögsebességével (fordulatszámával) arányos, és a szögsebességgel ellentétes értelmű: M f = - k f ω A tárcsára ható két nyomaték (M k és M f ) egyensúlyt tart egymással: M k + M f =0, c, P - k f ω=0 ω= c, k f A c'/k f hányados (jelöljük k-val) az adott műszer konstrukciójától függő állandó, ezzel: P ω= kp, n= k n P

73 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal A fogyasztásmérő tárcsájának szögsebessége és fordulatszáma tehát a fogyasztó hatásos teljesítményével arányos. A tárcsa t idő alatt megtett fordulatainak N száma az n fordulatszám és a t időtartam szorzata: N = nt = k n Pt = k n W A fogyasztásmérő integráló (a pillanatnyi teljesítmények és elemi időtartamok szorzatát összegző) mérőmű. A fogyasztásmérő tárcsája által megtett fordulatok száma a villamos munkával, a hatásos fogyasztással arányos. A tárcsa fogaskerék-hajtómű közvetítésével mechanikus számlálót hajt, erről a számlálóról a fogyasztás közvetlenül kwh-ban (kilowattórában) olvasható le. A fogyasztásmérőn minden esetben feltüntetik ennek műszerállandóját, azt, hogy hány tárcsafordulatnak felel meg 1 kwh fogyasztás (meddőfogyasztás-mérők esetén 1 kvarh meddő fogyasztás). Az egyfázisú fogyasztásmérő kapocstáblájának kialakítását és kapcsainak jelölését, a mérő bekötését az ábra mutatja be. (A háromfázisú hatásos és meddő fogyasztás mérésének témakörével a 10. fejezetben foglalkozunk.) ábra. Az egyfázisú fogyasztásmérő kapocstáblája, bekötése a) közvetlen mérés, b) mérőváltós mérés esetén A fogyasztásmérők V feszültség tartományban, A áramerősség tartományban egy méréshatárra készülnek. A méréshatár bővítésére kizárólag mérőváltók segítségével nyílik lehetőségünk. A fogyasztásmérőnek jelentős a hőmérsékleti hibája (a tárcsa örvényárampályáinak ellenállása hőmérséklettől függ) és a frekvenciahibája (a tárcsa örvényárampályái nem tisztán rezisztívek, impedanciájuk frekvenciafüggő). Az indukciós fogyasztásmérő pontossága általában nem jobb, mint 0,5 %. Ellenőrző kérdések 1. Hogyan működik az indukciós mérőműszer? 2. Mi a lényeges eltérés a mutatós indukciós műszer és a fogyasztásmérő szerkezeti felépítésében? 3. Hogyan növelhetjük a fogyasztásmérő méréshatárát?

74 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 6. Mérőváltók 6.1. A transzformátor működési sajátosságai Röviden foglaljuk össze az ideális transzformátor tulajdonságait (6.-1. ábra). Az ilyen transzformátor mágneses köre lineáris, mágneses vezetőképessége végtelen nagy, tekercselésének ellenállása nulla, mind a vasmag mind a tekercselés veszteségmentes. A feszültségek aránya a menetszámok arányával azonos. (A feszültségváltóként való alkalmazás ezen a sajátosságon alapul.) U 1 U 2 = N 1 N 2 = a ábra Az N 1 /N 2 viszony a menetszám-áttétel, ezt a-val jelöljük. A primer látszólagos teljesítmény és a szekunder látszólagos teljesítmény egyenlő: Ezt az előző összefüggéssel összevetve: U 1 I 1 =U 2 I 2 U 1 U 2 = I 2 I 1 = N 2 N 1 I 1 N 1 = I 2 N 2 A transzformátor primer gerjesztése (az áram és a menetszám szorzata) egyenlő a szekunder gerjesztéssel. (Ezt nevezzük a gerjesztések egyensúlya törvényének.) Ha a transzformátor szekunder oldalára Z 2 impedanciát kapcsolunk, a szekunder áram: I 2 = U 2 Z 2

75 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal A primer áram: I 1 = U 2 N 2 = U 2 1 Z 2 N 1 Z 2 a Vizsgáljuk meg, mekkora impedanciát mutat - a primer kapcsok felől mérve - a szekunder oldalon Z 2 impedanciával terhelt transzformátor: Z 1 = U 1 = U 1 = U 1 az U 2 U 2 1 U 2 2 Z 2 a Z 1 = a 2 Z 2 A transzformátor impedanciaváltóként viselkedik. Ha a szekunder oldalán Z 2 impedanciával terhelt, a=n 1 /N 2 áttételű transzformátor egy "fekete doboz", amelyről nem tudjuk, hogy mit tartalmaz és csak a primer kapcsaihoz férünk hozzá, akkor a primer kapcsok között váltakozóáramon a 2 Z 2 impedanciát érzékelhetünk. Ha a szekunder kapcsokat rövidrezárjuk, a primer kapcsok között is rövidzárat érzékelhetünk. (Lényegében ilyen üzemmódban dolgozik az áramváltó.) 6.2. A feszültségváltó A feszültségváltó egy gyakorlatilag üresen járó transzformátor, amelynek a szekunder kapcsaira nagy impedanciájú áramköri elemeket - pl. voltmérő, wattmérő és cos φ mérő feszültségága - párhuzamosan kapcsolva csatlakoztatunk. A feszültségváltó igen nagy váltakozófeszültségek mérését teszi lehetővé. A primer oldala nagyfeszültségű hálózathoz csatlakozik, ennek névleges feszültsége a 750 kv-ot is elérheti. A szekunder névleges feszültség általában 100 V (esetleg 120 V vagy 100 / 3 V). Az egyfázisú feszültségváltó primer kapcsainak jelölése A és B, a szekunder kapcsoké a és b. A primer U AB és a szekunder U ab feszültség - a szöghibától eltekintve - azonos fázishelyzetű. A feszültségváltó pontosságát a feszültséghiba (áttételi hiba) és a szöghiba jellemzi. A feszültséghiba definíciója: h v = v n U 2 -U 1 U 1 100% ahol v n a feszültségváltó névleges áttétele, U 1 a primer feszültség, U 2 a szekunder feszültség. A feszültségváltók névleges áttételét a névleges primer és a névleges szekunder feszültség arányával adják meg, pl. 20 kv/100 V. A szöghiba a primer és a szekunder feszültség közötti fázisszög. A precíziós mérésekre való feszültségváltó pontossági osztálya 0,1, ez legfeljebb 0,1 % feszültséghibát és 0,15 crad (centiradián) szöghibát jelent. Hálózati védelmek táplálására kevésbé pontos, 2, pontossági osztályú feszültségváltók is készülnek.

76 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal 6.3. Az áramváltó Az áramváltó rövidrezárt transzformátornak tekinthető, amelynek viszonylag kis menetszámú primer tekercsét a hálózatba sorosan iktatjuk be (a fogyasztóval sorbakapcsoljuk), a szekunder kapcsaihoz pedig egymással sorbakapcsolt, igen kis impedanciájú áramköri elemek csatlakoznak, pl. ampermérő, wattmérő és cos φ mérő áramága stb. Az áramváltók primer névleges árama több ka lehet, a szekunder névleges áram 5 A (kivételesen 1 A). Az áramváltó primer kapcsai K és L, a szekunder kapcsai k és l jelölésűek. A primer I KL áram és a - szekunder kapcsokat rövidrezárva, ezen az ágon folyó - I kl áram azonos fázishelyzetű (a szöghibától eltekintve). Az áramváltó pontosságát az áramhibával (áttételi hiba) és a szöghibával jellemezhetjük, ezek értelmezése hasonló a feszültségváltóéhoz. Az áramhiba: h i = v n I 2 - I 1 I % ahol v n a névleges áttétel, I 1 a primer áram, I 2 a szekunder áram. Az áramváltók névleges áttételét a névleges primer áram és a névleges szekunder áram arányával adják meg, pl. 1000/5 A. Az áramváltók pontossága a feszültségváltóékhoz hasonló, a 0, pontossági osztályokba sorolhatók. A lakatfogó nyitható vasmagú áramváltóval egybeépített ampermérő. A vezetőket befogva - azok bontása nélkül - mérhető az áramerősség váltakozóáramon (6.-2. ábra). A lakatfogó szigetelése, kúszóáramútja olyan, hogy kisfeszültségen csupasz vezetékek (pl. gyűjtősínek) áramerőssége is biztonsággal mérhető vele. A lakatfogókkal általában feszültség is mérhető, ekkor mérővezetékekkel kötjük össze a vizsgált áramkört a lakatfogó feszültségmérő kapcsaival. (A korszerű lakatfogók elektronikus digitális műszerek, a feszültség és áramerősség mellett a teljesítmény és a teljesítménytényező mérését is lehetővé teszik. Az áramerősség Hall cellás érzékelése esetén egyen- és váltakozóáram mérésére egyaránt alkalmasak.)

77 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal ábra. Az áramerősség mérése lakatfogóval A lakatfogós ampermérők több méréshatárra készülnek. Legkisebb méréshatáruk A, így fogyasztói berendezések ellenőrzésére, hibakeresésére jól használhatók. A lakatfogóval egyszerre több vezeték is átfogható, ekkor az átfogott vezetőkben folyó áramok pillanatértékeinek összegével (az áramok vektoros összegével) egyező áramerősséget mérhetünk. Földelt csillagpontú négyvezetős, testzárlatmentes hálózat fázisvezetőit és nullavezetőjét egyszerre átfogva áramot nem érzékelünk, testzárlat esetén viszont igen (6.-3. ábra). A lakatfogó ezért alkalmas testzárlat, földzárlat kimutatására is ábra. Áramösszegzés lakatfogóval testzárlatos hálózaton

78 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal 6.4. A mérőváltók alkalmazása A mérőváltók lényegében jelváltók, egyrészt a műszereinkkel mérhető nagyságúra transzformálják a feszültséget vagy az áramot, másrészt galvanikusan elválasztják a mérőköreinket a nagyfeszültségű hálózatoktól. Kisfeszültségű hálózatokban (400/230 V) többnyire csak áramváltókat használunk, a műszerek feszültségágai közvetlenül csatlakoznak a hálózathoz. A mérőváltók szekunder köréhez egyidejűleg több mérőműszert is csatlakoztathatunk. Mind a feszültségváltók, mind az áramváltók szekunder oldalát a megfelelő kapocsnál földelni kell. Ennek hiányában a "lebegő" potenciálú mérőkörben - a primer és a szekunder tekercs közötti szigetelési hiba estén - igen veszélyes nagyságú feszültségek jelenhetnek meg ábra. Mérőváltók alkalmazása egyfázisú áramkörben A ábrán a mérőváltók alkamazására mutatunk be egy példát, amelyen megfigyelhetők az alkalmazás sajátosságai. (feszültségágak párhuzamos, áramágak soros kapcsolása, földelési mód). A jelzett polaritású bekötéssel mind a wattmérő, mind a cos φ mérő helyesen működik. Az áramváltó használata különleges figyelmet igényel: tilos nyitott szekunder kapcsokkal üzemeltetni, a szekunder áramkörét nem szabad üzem közben megszakítani. Ebben az esetben ugyanis a szekunder áram I 2 = 0 lenne, nem alakulna ki ellengerjesztés, a primer körben folyó áram gerjesztése igen nagy fluxust hozna létre (általában a telítésig mágnesezné a vasmagot). Mindezek következtében a szekunder tekercsben életveszélyes nagyságú feszültségek indukálódnának (ez a szigetelés épségét is veszélyeztetné), a vasmag - a hiszterézisveszteség megnövekedése következtében - erősen melegedne. Ha az áramváltó szekunder oldalára valamilyen okból nem csatlakozik mérőkör, a szekunder kapcsokat rövidre kell zárni. A mérőváltók terhelhetőségét a gyártó által megadott névleges teljesítmény jellemzi. Feszültségváltók megengedett szekunder árama a névleges teljesítmény és a névleges szekunder feszültség ismeretében egyszerűen megállapítható:

79 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal I 2max = S n U 2n ahol S n a feszültségváltó névleges teljesítménye, U 2n a feszültségváltó névleges szekunder feszültsége. A szekunder kör, a párhuzamosan kapcsolt feszültségágak eredő impedanciájának megengedett alsó határa is számítható a névleges jellemzőkből: Z 2 Z 2min = U 2n = U 2 2n I 2max Az áramváltó túlterhelődése két okból következhet be: - a primer körben a névlegesnél nagyobb áram folyik, ugyanilyen arányban nagyobb a szekunder áram is, így a tekercselésben keletkezik a megengedettnél nagyobb veszteség; - a szekunder kör impedanciája túl nagy, emiatt a szekunder feszültség és az áramváltó fluxusa is megnő, a vasmag túlmágneseződik, megnő a hiszterézisvesztesége. Az áramváltó szekunder kapcsain létrejövő legnagyobb megengedett feszültség szintén a névleges jellemzőkből számítható: S n U 2max = S n I 2n ahol S n az áramváltó névleges teljesítménye, I 2n az áramváltó névleges szekunder árama. A szekunder kör, a sorbakapcsolt áramágak eredő impedanciájának megengedett felső határa: Z 2 Z 2max = U 2max I 2N = S N 2 I 2N Ellenőrző kérdések 1. Milyen mérőváltókat ismerünk, mi a szerepük? 2. Milyen módon csatlakoznak a mérőműszerek a mérőváltókhoz? 3. Mi okozhatja az áramváltó túlterhelődését? Mi az áramváltó használatának legfontosabb szabálya?

80 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 7. Elektronikus műszerek Az elektronikus műszerek közös sajátosságai: - Építőelem-készletükben - a passzív áramköri elemek (ellenállás, kondenzátor, fojtótekercs) mellett - aktív áramköri elemek is szerepelnek: elektroncső, diszkrét févezető (pl. tranzisztor) vagy integrált áramkör. - Az építőelemekből analóg - a mérendő jel erősítésére, jelformálásra, átalakításra képes - áramkörök épülnek fel, amelyeket segédenergia-forrás (galvánelem, akkumulátor vagy hálózati tápegység) táplál. - A mért érték kijelzését analóg kijelzővel (pl. mutatós műszer, elektronsugárcső) vagy digitális kijelzővel valósítják meg. Az utóbbi esetben digitális áramköröket is tartalmaz a műszer. A méréstechnikában az elektronikus műszerek egyre nagyobb szerepet játszanak, mivel olyan szolgáltatásokra alkalmasak, olyan tulajdonságúak, amilyen az elektromechanikus műszereknek nincs. Néhány példa az előzőek szemléltetésére: - Nagy érzékenység, felbontóképesség, pontosság. - Nagy felső határfrekvencia. - A vizsgált jelforrás terhelés nélküli mérése (pl. feszültségmérés esetén igen nagy bemeneti ellenállás). - Nemvillamos mennyiségek villamos úton való mérése. - Automatikus méréshatár-váltás. - Analóg kimenet (a mért jellel arányos kimenő feszültség vagy áram) távmérésre, analóg regisztrálásra vagy vezérlésre ill. szabályozásra. - Digitális kimenet, a mérési eredmények számítógépes feldolgozására, számítógépes folyamatirányítási rendszerhez való csatlakozásra. - "Intelligencia": beépített mikroprocesszoros célszámítógép, amely képes külső utasításokat fogadni és végrehajtani (távvezérelhető), programozható, a mérési eredmények és/vagy a program alapján döntésekre képes, a mérési adatok tárolását és feldolgozását is esetleg elvégzi, önellenőrző képességű. Az elektronikus műszerek néhány - de nem minden konstrukcióra jellemző - hátrányos tulajdonsága: zavarérzékenység, a túlterhelésekkel (túlfeszültség, túláram) szembeni kisebb állóképesség, a bonyolultabb konstrukcióból adódó nagyobb meghibásodási gyakoriság, magasabb ár. Az elektronikus műszerek közül a feszültség-, áramerőség- és ellenállásmérésre alkalmas műszerrel (az un. multiméterrel), a szelekív váltakozófeszültség-mérővel, az oszcilloszkóppal, a függvénygenerátorral, a digitális frekvenciamérővel és a stroboszkóppal foglalkozunk Elektronikus multiméter Az elektronikus multiméter a lengőtekercses univerzális műszer megfelelője az elektronikus műszerek családjában. Érzékenysége nagyságrendekkel nagyobb lehet, mint az elektromechanikus

81 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal műszeré, így - felhasználási céltól függően - a legkisebb feszültség méréshatár 0, mv, az áram-méréshatár pa (pikoamper ) vagy na (nanoamper) nagyságrendű is lehet. A felső határfrekvenciája jóval meghaladja az elektromechanikus műszerekre jellemző khz-et, néhány MHz-ig terjedhet ábra.. Az analóg és a digitális multiméter blokkvázlata Az analóg illetve a digitális multiméter blokkvázlatát a ábrán mutatjuk be. Az analóg és a digitális multiméter a kijelzés módjában különbözik egymástól. Mindkét változat közös jellemzője az, hogy a mérendő feszültséggel, áramerősséggel ill. ellenállással arányos "sima" egyenfeszültséget állítanak elő a műszer bemeneti, erősítő és jelformáló fokozatai. Ez a feszültség jut az analóg multiméterben egy Deprez-műszerre, a digitális műszerben pedig az analóg/digitális átalakítóra (A/D konverter), amely a digitális kijelzőn jeleníti meg a mért értéket. A mért jelet a bemenet Hi (HIGH=magas) jelű kapcsán ("melegpont") és a Lo (LOW=alacsony) jelű kapcsán ("hidegpont", mérőföld vagy jelföld) juttatjuk a műszerre. A DC (Direct Current) egyenáramú és az AC (Altrenating Current) váltakozóáramú bemeneti fokozatok feszültségmérési módban játszanak szerepet, ezek feszültségosztót tartalmaznak, amelynek leosztási aránya a méréshatártól függően változik. Az ellenállás-egyenfeszültség átalakító a mérendő R x ellenállással arányos egyenfeszültséget állít elő. Egyik megoldási lehetőségének elvét a ábrán mutatjuk be. A mérendő ellenálláson egy konstans áramú áramforrás (áramgenerátor) I g áramát vezetjük át, így U x =I g R x nagyságú, azaz az ellenállás értékével arányos feszültséget kapunk (az ellenállás skála egyenes állású és lineáris lesz). Az egyen- ill. váltakozóáramot mérő fokozatok átkapcsolható söntöt tartalmaznak. Az AC/DC átalakító tulajdonképpen mérőegyenirányító és jelformáló, a kimenetén a bemenő váltakozófeszültségtől függő nagyságú sima egyenfeszültség jelenik meg. A mérőegyenirányító nagyban befolyásolja a műszer mérési sajátosságait, ezért a mérőegyenirányítók kérdését kissé részletesebben is megtárgyaljuk.

82 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal ábra. Az ellenállás/egyenfeszültség átalakító elvi működés A bemeneti fokozatokat ill. az AC/DC átalakítót követő erősítőfokozat szabja meg lényegében a műszer érzékenységét, legkisebb méréshatárait. Kimenetére csatlakozhat az analóg vagy a digitális kijelzőegység (esetleg egyidejűleg mindkét kijelzési módot is alkalmazhatjuk), az analóg kimenet illesztő erősítője. A digitális vezérlőegység magába foglalhat egy digitális illesztőegységet (interfész, interface), amely segítségével a mérés vezérelhető és a mért eredmények digitális formában továbbíthatók Mérőegyenirányítók A mérőegyenirányítóknak a bemenő váltakozófeszültség csúcsértékével (U p, peak), ennek maximuma és minimuma különbségével (a pozitív csúcstól a negatív csúcsig mért értékkel, U p-p, peak to peak), az abszolút középértékkel (átlagértékkel, U av, average) vagy a feszültség effektív értékével (U RMS, root mean square) arányos a kimeneti egyenfeszültsége van ábra. A csúcsegyenirányító blokkvázlata, feszültségeinek időfüggvénye A csúcsegyenirányító egyik változatának, a soros csúcsegyenirányítónak az elvét a ábrán mutatjuk be. Az u bemenő feszültség pozitív félperiódusában a C kondenzátor a bemenő feszültség csúcsértékére töltődik fel. Ha a kondenzátort terhelő fokozat (pl. erősítő) bemeneti ellenállása eléggé nagy (az R be C időállandó nagyságrendekkel nagyobb, mint a mért váltakozófeszültség periódusideje), akkor a kondenzátor alig sül ki a negatív félperiódusban, az erősítő bemenetére gyakorlatilag sima egyenfeszültség jut. Az egyenirányítós lengőtekercses műszer lényegében átlagérték-egyenirányítós műszer, azaz a jel

83 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal abszolút középértékével arányos a kimenőjele (a szögelfordulás). Hasonló sajátosságúak az átlagérték-egyenirányítós elektronikus műszerek is. Kedvező tulajdonságuk, hogy az érzéketlenségi sávjuk nagyságrendekkel kisebb, mint az egyenirányítós Deprez műszereké, így igen kis váltakozófeszültséget is mérhetünk velük ábra. Az effektívérték-egyenirányító blokkvázlata, feszültségeinek időfüggvénye Az effektívérték-egyenirányító blokkvázlatát a ábra mutatja be, ezen ábrázoltuk - szinuszos bemenő feszültség esetére - az egyes fokozatok kimenő feszültségének hullámformáját is. Az effektív érték a négyzetes középérték, ennek megfelelően a mért váltakozófeszültség négyzetét kell képeznünk először. Az u 2 időfüggvény lüktető jel, már egyenáramú összetevőt tartalmaz, ez az átlagolás feladatát ellátó soros RC tagra jut. Ha az RC tag időállandója nagyságrendekkel nagyobb, mint a bemenő jel periódusideje, akkor a kondenzátor reaktanciája igen kicsi az R ellenálláshoz viszonyítva, a kondenzátor az u 2 váltakozóáramú összetevőjére nézve rövidzárként viselkedik, egyenfeszültségen viszont szakadásként, így közel sima egyenfeszültség - az u 2 egyenáramú összetevője - jelenik meg a kondenzátoron. A harmadik fokozat ennek négyzetgyökével arányos - azaz a bemenő jel effektív értékének megfelelő - kimenő feszültséget ad. Az elektroncsöves elektronikus voltmérők (az un. csővoltmérők) általában csúcsegyenirányítót tartalmaznak, de az egyszerűbb és olcsóbb digitális multiméterekben is többnyire csúcsegyenirányítót alkalmaznak. Az effektívérték-egyenirányító az igényesebb műszerekben található meg. A csúcsegyenirányítós és az átlagérték-egyenirányítós műszereket szinuszos jellel kalibrálják és a szinuszos jel effektív értékére skálázzák. Nemszinuszos jel effektív értékének mérésére sem a csúcsegyenirányítós, sem az átlagérték-egyenirányítós műszer nem alkalmas. Az effektívérték-egyenirányítós, a csúcsegyenirányítós és az átlagérték-egyenirányítós műszer mérési sajátosságait különböző módon torzult hullámformájú jelek mérésekor összehasonlítva a következőket tapasztalhatjuk: - négyszögjel, trapézjel és ezekhez hasonló hullámformájú jelek esetén - az effektívérték-mérő műszerhez viszonyítva - a csúcsegyenirányítós műszer kisebb értéket mutat (negatív hibával mér), az átlagérték-egyenirányítós műszer pedig nagyobbat (pozitív hibával mér). - háromszögjel, impulzusszerű jelek esetén - az effektívérték-mérő műszerhez viszonyítva - a csúcsegyenirányítós műszer nagyobb értéket mutat (pozitív hibával mér), az átlagértékegyenirányítós műszer pedig kisebbet (negatív hibával mér).

84 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal Az analóg és a digitális mérés összehasonlítása Mindkét mérési módnak vannak előnyei, emiatt egyes műszereket mind analóg, mind digitális kijelzővel ellátnak. Az analóg mérés előnyei: - lassan változó, ingadozó mennyiségek maximuma, minimuma és átlagértéke könnyebben becsülhető; - áramköri jellemzők (feszültség, áramerősség stb.) megadott értékre való beszabályozása analóg műszer alapján kényelmesebb és gyorsabb. A digitális mérés előnyei: - a mérési pontosság, felbontóképesség igen nagy lehet; - a leolvasási hiba gyakorisága kicsi Szelektív váltakozófeszültség-mérők A szelektív feszültségmérőkkel egy több frekvenciakomponenst tartalmazó jelből a kiválasztott jelösszetevő feszültségét megmérhetjük. A műszer bemenete és a mérőegyenirányítója között olyan szelektív és változtatható erősítésű áramkör van, amely csak a mérni kívánt frekvenciájú (f m ) jelösszetevőt engedi át. Ez a frekvencia a műszer működési frekvenciasávjában tetszés szerinti értékre beállítható. A szelektív feszültségmérőkkel igen kicsi - µv nagyságrendű - váltakozófeszültségek is mérhetőek, mivel a kis sávszélességű feszültségmérők saját zaja kicsi és a mérendő sávon kívül eső külső zajokra is érzéketlenek ábra. Heterodyn rendszerű szelektív váltakozófeszültség-mérő blokkvázlata

85 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal A heterodyn rendszerű feszültségmérő blokkvázlatát a ábrán láthatjuk. Működésének lényege az, hogy a mérendő jelet egy változtatható frekvenciájú oszcillátor jelének segítségével adott és állandó frekvenciájú sávba - az un. középfrkevenciára - transzponáljuk és a jel amplitúdóját megmérjük. A bemeneti fokozat az aszimmetrikus (kondenzátoros) és/vagy szimmetrikus (transzformátoros) csatoló elemeket és a méréshatár váltást szolgáló ellenállásos feszültségosztót foglalja magába. A mérendő jel az illesztő fokozat közvetítésével jut a keverőfokozatra. A keverőfokozat előállítja az f m mérendő frekvenciájú jelkomponens és oszcillátor f h hangolófrekvenciája különbségének és összegének megfelelő jelösszetevőket. A középfrekvenciás erősítő csak a saját sávjába eső f k frekvenciájú jelet engedi át. Mivel ez a jel biztosan szinuszos, tetszőleges rendszerű mérőegyenirányítóval alakítható egyenfeszültséggé és így a jelösszetevő megmérhető. A mutatós műszerrel az f k = f h - f m különbségi frekvenciájú jelet kívánjuk kijelezni, ehhez a helyi oszcillátor frekvenciáját f h = f k + f m értékűre kell beállítani. Mivel a középfrekvencia értéke állandó (pl. f k = 940 Hz), a műszer oszcillátorának hangolására szolgáló kezelőszerv közvetlenül a mérendő jel frekvenciájára skálázható. A műszer kalibrálása úgy történik, hogy első lépésben a hálózati feszültségből transzformátoros leosztással előállított kalibráló feszültséget kapcsoljuk közvetlenül - a szelektív erősítő megkerülésével - a mérőegyenirányítóra, majd a második lépésben a kalibráló feszültségből pontos ellenállásokkal leosztott feszültséget, de most már az 50 Hz-re hangolt szelektív erősítő beiktatásával. A szelektív erősítő erősítését úgy kell beállítanunk, hogy a két esetben a mért érték azonos legyen. A műszerrel való méréskor ügyelni kell arra, hogy ez az f k = f m - f h frekvenciájú, az un. tükörfrekvenciás jelet is érzékeli. Az az adott frekvenciájú jelösszetevő mérésekor a hangolófrekvenciát alulról növelve a maximumot kell keresni, amelyből kettő található, a műszer a nagyobb frekvenciájú maximumon adja a hiteles értéket Analóg oszcilloszkóp Az oszcilloszkóp igen nagy frekvenciájú villamos jelek függvénykapcsolatának megjelenítésére való. Leggyakrabban periodikus jelek időbeli változásának ábrázolására használjuk, ekkor az időt független változóként az egyik villamos jel képviseli. Az oszcilloszkóp az elektronikus műszerek családjának egyik leghasznosabb tagja, mivel az ábrázolt villamos jel sok mennyiségi és minőségi paraméterére következtethetünk, pl. amplitúdó (pillanatértékek), hullámforma, frekvencia, fázishelyzet. Az oszcilloszkóp megjelenítő egysége az elektronsugárcső (katódsugárcső). Az elektronsugárcső izzított katódjából a termikus emisszió hatására elektronok lépnek ki. Az elektronokat villamos térrel és megfelelő elektronoptikai egységgel kis átmérőjű és nagy sebességű elektronnyalábbá formálják. A cső homlokfelületére - a belső oldalon - lumineszkáló bevonatot visznek fel. Az elektronsugár becsapódási helyén ez az anyag fényt bocsát ki, kis átmérőjű fényfoltot hoz létre. Az elektronsugárcsőben lévő eltérítő elektród-párokra adott feszültségekkel a fénypont helye vízszintesen és függőlegesen - egymástól függetlenül - változtatható.

86 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal ábra. Az elektronkapcsolós kétsugaras oszcilloszkóp blokkvázlata A ábrán egy un. elektronkapcsolós kétsugaras (kétcsatornás) oszcilloszkóp blokkvázlatát ábrázoltuk. A két csatorna - CH1 és CH2 - bemeneti fokozata azonos. A bemeneti választókapcsoló AC állásban kondenzátoros csatolást valósít meg, ekkor a bemenő jelnek csak a váltakozófeszültségű összetevője jut a bemeneti fokozatra. DC állásban az egyenfeszültségű összetevő is hatásos. A GND állásban a bemenő jel nem jut az oszcilloszkópba. Az üzemmódvezérlő teszi lehetővé a két jel (a CH1 és a CH2 bemeneten lévő jel) időfüggvényének egyidejű felrajzolását. Ez szaggatott (CHOPPED) vagy váltakozó (ALTERNATE) módban történhet. Példaként a szaggatott üzemmódot vizsgáljuk meg. Ekkor a vezérlőkör igen nagy frekvenciával működteti az elektronikus kapcsoló áramköröket (elektronkapcsolókat), ezek felváltva kapcsolják a CH1 illetve a CH2 bemeneten lévő feszültséget a függőleges erősítőre. Amikor időfüggvényeket rajzolunk fel, a vízszintes eltérítőrendszerre fűrészfeszültség jut. Ennek hatására a fényfolt az ernyőn balról jobbra egyenletes sebességgel fut (az ernyő jobb széléig) majd igen gyorsan vissza a bal szélre (a visszafutás közben a fénypont kioltásáról gondoskodnak). A vízszintes eltérítést a szinkronozó fokozat a bemenő jellel összehangoltan indítja, úgy, hogy a periodikus jel képe mindig azonos helyen jelenjen meg az ernyőn és ezáltal álló képet kapjunk. A ábrán bemutatjuk, hogy két jel - egy szinuszhullám és egy háromszöghullám - egyidejű felrajzolása hogyan játszódik le. Nyíllal jelöltük a fénypont haladási irányát. Átkapcsoláskor a fénypont haladási sebessége nagy (vékony vonal jelzi az ábrán), emiatt ezek a vonalak igen kicsi fényerősséggel rajzolódnak ki, így nem láthatók. Vastagított vonalakkal ábrázoltuk azokat a szakaszokat, ahol a fénypont futása lassúbb, emiatt jól látszanak. A két jel képe rövid szakaszokból tevődik össze, ezek felváltva rajzolódnak az ernyőre. Az igen nagy szaggatási frekvencia és a fénypont véges mérete miatt ezek a szakaszok átlapolódnak, emiatt folytonos vonalakat látunk.

87 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal ábra. Az elektronkapcsoló működési sajátosságai a) kapcsoló jel, b) az 1. csatorna jelének képe, c) a 2. cstorna jelének képe A vízszintes eltérítés indítását (a szinkronozást) végző jel forrása általában kapcsolóval választható ki. Belső indításkor vagy a CH1 vagy a CH2 bemeneti fokozatáról vett jelhez szinkronozhatunk. Hálózati jelenségek vizsgálatakor a hálózati feszültségből előállított jel vezérli a fűrészgenerátort. Külső, az EXT. TRIGGER bemenetre adott jellel is vezérelhetjük a vizszintes eltérítést. (A szokásos jelölések: INT = internal = belső, LINE = hálózat, EXT = external = külső.) Tranziens jelenségek fényképezéses rögzítéséhez a vizszintes eltérítés egyszeres lefutási módja is beállítható (SINGLE SWEEP). Az oszcilloszkóp X-Y üzemmódjában a függőleges eltérítést az Y (CH1), a vízszintes eltérítést az X (CH2) bemenetre adott feszültség vezérli, ilyenkor a fűrészgenerátornak nincs szerepe. Az X- Y üzemmódban az ábrázolt függvénykapcsolat független változója nem az idő, hanem az X bemeneten lévő feszültségjel.

88 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal ábra. Frekvenciamérés összehasonlítással Lissajous-ábrák alapján Az oszcilloszkóp X-Y módú alkalmazásának egy példája a frekvenciamérés. Egy ismert, változtatható frekvenciájú oszcillátor (pl. hanggenerátor, függvénygenerátor) jelét az oszcilloszkóp vízszintes bemenetére, a mérendő frekvenciájú jelet a függőlegesre kapcsoljuk (7.-8. ábra). Az ernyőn álló alakzatot - un. Lissajous ábrát - kapunk akkor, ha a két frekvencia aránya racionális szám ábra. Lissajous-ábrák f x = f n esetén, különböző fáziseltolásnál Ha az oszcillátor frekvenciája a mért frekvenciával egyenlő (és mindkét jel szinuszos időbeli lefolyású), akkor a Lissajous ábra egyenes, ellipszis (vagy speciális esetben kör) - a két jel közötti fáziseltolástól függően (7.-9. ábra). Általános esetben (f x f N ) a Lissajous ábra többszörösen hurkolódik, a befoglaló formája négyszög ( ábra). A frekvenciák arányát úgy kapjuk meg, hogy a görbéhez húzható vizszintes (horizontális) és függőleges (vertikális) érintők érintési pontjait megszámoljuk, ezek aránya adja a frekvenciák arányát. f x f N = f vert f hor = e hor e vert f x = f N e hor e vert ahol e hor a vízszintes érintési pontok, e vert a függőleges érintési pontok száma.

89 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 10.oldal ábra. Lissajous-ábrák f x f n esetén a) f x =3f n b) f x = (2/3)f n A a) ábra szerinti esetben a mért frekvencia (f x ) az oszcillátorénak kétszerese, a b) szerinti esetben 2/3-a. A korszerű oszcilloszkóp függőleges és vízszintes eltérítőrendszere kalibrált. A feszültségérzékenység fokozatkapcsolóval általában 10 mv/cm...20 V/cm érték között állítható, a vízszintes eltérítés futási sebességének a reciproka (az időalap) 5 s/cm...0,1 ms/cm értéktartományban választható. Az ernyő előtt elhelyezett, átlátszó műanyaglapra felrajzolt, általában 1 cm-es osztású négyzetháló teszi lehetővé az ernyőn megjelenő jel függőleges és vízszintes méreteinek leolvasását. Ezeket megszorozva a feszültségérzékenység illetve az időalap beállított értékével, a feszültségek és az időtartamok (pl. a periódusidő) meghatározhatók. Az oszcilloszkóp mérési pontossága néhány százalékra tehető Digitális tárolóoszcilloszkóp A digitális tárolóoszcilloszkópok az analóg oszcilloszkópok funkcionális egységein felül egy digitális tárat, A/D és D/A átalakítót és ezek vezérlésére szolgáló egységet is tartalmaznak. A ábrán egy egysugaras digitális tárolóoszcilloszkóp blokkvázlata látható. Az oszcilloszkóp a normál üzemmódban hagyományos analóg oszcilloszkópként működik. Digitális tároló üzemmódban a bemeneti jelet az A/D átalakító digitalizálja, ezeket az adatokat a digitális tár tetszőleges ideig tárolhatja. Az ernyőn való megjelenítéshez a digitális tárból a beolvasás sorrendjében kiolvasott adatokat D/A átalakító analóg jellé alakítja, ez vezérli az ernyő fénypontjának függőleges eltérítését. Állandóan látható jel érdekében az ábrát ciklikusan fel kell rajzoltatni olyan ismétlési frekvenciával, hogy az ernyőkép ne villódzon.

90 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 11.oldal ábra. Digitális tárolóoszcilloszkóp blokkvázlata A digitális tárolóoszcilloszkóp igen előnyösen használható egyszeri lefutású jelenségek (pl. áramkörök tranziens jelenségei, zavarai) megfigyelésére, mivel különböző indítási (triggerelési) lehetőségei vannak. Az előtriggerelés lehetővé teszi, hogy megfigyelhessük az indítójel előtti jelszakaszt ( b) ábra). Ebben az üzemmódban a tár betöltődése folyamatos, a tár megtelte után az új mintavételi adatok ciklikusan felülírják a régieket. A triggerjel beérkezése leállítja a beírást, az ernyőre a triggerjelet megelőző jelalakrészlet kerül. Utótriggereléskor a triggerjel beérkezése indítja a tárba való betöltést, így a triggerjelet követő jelszakasz lesz látható ( a) ábra). Ha az oszcilloszkóp digitális késleltető egységgel is el van látva, akkor mind az előtriggerelés mind az utótriggerelés késleltethető ( c) és d) ábra) ábra. Digitális tárolóoszcillosszkóp különböző triggerelésének hatása az ernyőn látható jelalakra a.) utántriggerelés, b.)előtriggerelés, c.)utántriggerelés késleltetéssel, d.)előtriggerelés késleltetéssel

91 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 12.oldal A digitális tárolóoszcilloszkóppal történő jelalakvizsgálat pontosságát fokozzák a következő sajátosságok: - a tárolt jel részletei nagymértékben kinagyíthatóak; - az ábra mentén mozgatható két vízszintes és két függőleges mérőkurzor segítségével az ábra jellegzetes pontjai (pl. minimum, maximum) megkereshetőek, illetve adatai meghatározhatóak, az aktuális adatok (feszültség és idő, illetve feszültségkülönbség és időkülönbség) az ernyőképre kiíródnak. A digitális tárolóoszcilloszkópok elektronkapcsolós kétsugaras kivitelben is készülnek. Ha az oszcilloszkópba aritmetikai műveletek végzésére képes mikroszámítógépet is beépítenek, a tárolt jelalakokon többféle művelet magával az oszcilloszkóppal elvégezhető (pl. korrelációszámítás, spektrumanalízis). Szabványos interfészen keresztül az oszcilloszkóp működése vezérelhető, a tárolt adatok utófeldolgozásra számítógépbe átvihetőek. A digitális tárolás lehetővé teszi azt, hogy kijelzőként a katódsugárcső helyett az ehhez képest lassú, de kis teljesítményfelvételű LCD kijelzőt használjuk. Ez a megoldás igen kisméretű (kézi) oszcilloszkóp készítését teszi lehetővé Hullámforma generátorok Hullámforma-generátoroknak vagy függvénygenerátoroknak azokat a generátorokat (rezgéskeltőket) nevezzük, amelyek a kimenetükön a jelalakválasztó kapcsoló állásától függően - különböző alakú jeleket szolgáltatnak. A jelalak lehet négyszög, háromszög és szinusz (ritkábban trapéz, impulzus és fűrészjel is) ábra. Az egyszerű hullámforma-generátor

92 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 13.oldal ábra. Kapcsolóüzemű RC oszcillátor A hullámforma-generátorok frekvenciatartománya igen nagy, 0,001 Hz-től 1 MHz-ig terjedhet. Egy egyszerű hullámforma-generátor blokkvázlatát a ábra mutatja. Az alapgenerátor egyik legegyszerűbb megoldását mutatja a ábra. A kapcsolás egy hiszterézises komparátoron keresztül visszacsatolt integrátor. Kézi működtetés esetén a frekvenciatartomány választás a C kondenzátor átkapcsolásával történik, a frekvencia finom beállítása az R ellenállással (ez esetben az analóg szorzó elhagyható). Analóg villamos jellel (a hangolófeszültséggel) igen széles (1: :1000 arányú) tartományban változtatható a frekvencia, a hangolófeszültséggel az alapgenerátor FM modulációja (frekvenciamodulációja) is lehetséges. Az analóg jellegű hangolás következtében az alapgenerátor frekvenciapontossága korlátozott. Maga az alapgenerátor szolgáltatja a négyszög és a háromszögjelet, a szinuszjelet a háromszögjelből formálják, többnyire a szinuszos karakterisztika töréspontos közelítésével. A kimeneti fokozat a kimenő feszültség folyamatos illetve db-ben skálázott fokozatokban történő változtatását lehetővé tevő feszültségosztót és a végerősítőt foglalja magába. Nagyobb frekvenciapontosság igénye esetén készítenek kvarcoszcillátor által vezérelt és digitálisan beállítható hullámforma-generátorokat is. Tiszta digitális szintézissel igen nagy pontosságú és szinte tetszőleges hullámformájú jelek állíthatók elő Digitális frekvencia és periódusidő mérő A digitális frekvencia és periódusidő mérő a következő funkcionális egységekből épül fel: - pontos, stabil frekvenciájú (kvarcvezérlésű) oszcillátor, - frekvenciaosztó, - elektronikus kapcsoló, - elektronikus számláló és kijelző.

93 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 14.oldal ábra. A digitális frekvenciamérő blokkvázlata ábra. Digitális periódusidő-mérő blokkvázlata A frekvencia mérésekor ( ábra) a kvarcoszcillátor a frekvenciaosztón keresztül vezérli a kapcsolót, meghatározott időtartamra - pl. 1 s-ra, 1 ms-ra - bekapcsolja, és a mérendő frekvenciájú jelet a számlálóra juttatja. Az elektronikus kapcsoló kikapcsolásakor a számláló tartalma arányos a mért frekvenciával. A periódusidő mérésekor ( ábra) a mérendő jel a frekvenciaosztón keresztül vezérli a kapcsolót és a kvarcoszcillátor lépteti a számlálót. A műszer eseményszámlálásra, frekvenciaarány mérésére is alkalmas (ezen üzemmódok blokkvázlatát nem ábrázoltuk). Kis frekvenciákon a periódusidő mérési módban, nagy frekvenciákon a frekvenciamérő módban kapunk nagyobb felbontást (több értékes számjegyet) a kijelzésben.

94 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 15.oldal 7.6. Stroboszkóp A stroboszkóp periodikus, változtatható frekvenciájú fényimpulzusokat előállító elektronikus készülék, blokkvázlatát a ábrán láthatjuk. A fényvillanásokat a vakuk villanócsövéhez hasonló, xenontöltésű kisülőcső adja. A kisülőcsövet változtatható frekvenciájú impulzusgenerátor vezérli különböző áramkörök közvetítésével. Az impulzusgenerátor külső jellel is vezérelhető (a blokkvázlaton ezt nem ábrázoltuk), így a villogása a vizsgált periodikus jelenséghez szinkronozható. A beállított frekvencia (vagy az ezzel arányos percenkénti fordulatszám) digitális kijelzőről (régebbi konstrukciók esetén mutatós műszerről) olvasható le. A stroboszkóp periodikus mozgás számos jellemzőjének vizsgálatára alkalmas ábra. A stroboszkóp blokkvázlata A stroboszkóp jellegzetes felhasználása a fordulatszámmérés. Ennek előkészületeként a forgó géprészre ráfestünk (ráragasztunk) egy, az alkatrészétől eltérő fényvisszaverésű (többnyire fehér) jelet. Ezt a jelet célszerű a forgástengelyre merőleges helyzetű és a körülfordulás során a lehető legrövidebb ideig takart felületrészen elhelyezni. A legkedvezőbb megoldás az, ha szabad tengelyvégre szerelt tárcsára visszük fel a jelet ( ábra). Stroboszkóppal megvilágítva a forgó jelet, minden esetben álló képet (egy vagy több jelet) látunk, ha a forgási (f x ) frekvencia és a stroboszkóp (f N ) frekvenciájának aránya racionális szám (egész számok aránya) ábra. Fordulatszámmérés stroboszkóppal

95 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 16.oldal A stroboszkóppal való fordulatszámmérés legegyszerűbb és legmegbízhatóbb módja a következő: A stroboszkóp frekvenciáját a mérendő frekvenciánál jóval nagyobbra állítjuk (f N >> f x ). Fokozatosan csökkentjük a stroboszkóp frekvenciáját, miközben figyeljük a tárcsán látható alakzatokat. Kezdetben többszörös álló képeket kapunk. Addig csökkentjük a frekvenciát, amíg az első egyszeres álló kép (egyetlen álló jel a tárcsán) ki nem alakul. Az első egyszeres álló jel esetén f x = f N, a stroboszkópról közvetlenül leolvasható a frekvencia vagy a percenkénti fordulatszám. A periodikus mozgás stroboszkóppal történő vizsgálatára egy példa: A stroboszkóp villogási frekvenciáját kissé elhangolva a vizsgált szerkezet, mechanizmus mozgásának frekvenciájától, a mozgás "lassítva" megfigyelhető. A stroboszkópot a mechanizmus mozgásához szinkronozva a mozgás különböző fázisai "kimerevítve" elemezhetők Az elektronikus műszerek használatának sajátosságai Az elektromechanikus és a telepes vagy akkumulátoros táplálású elektronikus műszerek mérőműve nincs galvanikus kapcsolatban a földdel, ezek földfüggetlen ("lebegő") bemenetűek. A földfüggetlen bemenetű műszerekkel - feszültségmérő üzemmódban - a vizsgált áramkör bármelyik két pontja között mérhetjük a feszültséget, illetve - árammérő üzemmódban - ezeket az áramkör bármelyik ágába beiktathatjuk. A hálózati táplálású elektronikus műszerek jelentős részének bemenete nem földfüggetlen. A műszer fémházát életvédelmi (érintésvédelmi) okok miatt - a hálózat védővezetőjén keresztül - földpotenciálra hozzuk (földelés, nullázás). Gyakori eset, hogy a műszer fémháza és a jelföld közös. (Ez általában felismerhető arról, hogy a jelföld csatlakozóhüvelye szigeteletlenül van felerősítve a a műszer fém előlapjára.) Az ilyen, un. földelt bemenetű műszerrel földelt áramkörökben csak megfelelő körültekintéssel és korlátozásokkal végezhetünk méréseket: a jelföldet csak a vizsgált áramkör földpotenciálú pontjához csatlakoztathatjuk. A ábrán egy hálózati táplálású áramkör (pl. egy nagynyomású gázkisülő lámpa) kétsugaras osszcilloszkópos vizsgálatára mutatunk be egy példát. (A hálózaton alkalmazott érintésvédelmi mód a nullázás.) Az oszcilloszkóp jelföldje - a készülékház és a védővezetőközvetítésével - a hálózat nullavezetőjével van összekötve. Az áramkörbe beiktatott kis ellenállású R s söntön az árammal arányos feszültségesés jön létre, a CH2 csatornán az áram időbeli lefolyását vizsgálhatjuk. A CH1 bemenetre - az R s söntön létrejövő, elhanyagolható nagyságú feszültségeséstől eltekintve - a gázkisülő lámpán kialakuló feszültség jut, ennek hullámformáját figyelhetjük meg. A jelföldet kizárólag a vizsgált áramkör nullpotenciálú D csomópontjával köthetjük össze, minden más esetben problémák jelentkeznek. Ha például a CH2 bemenetet a D csomópontra, a jelföldet a C csomópontra kapcsolnánk, a védővezetőn keresztül az R s sönt rövidrezáródna, az áram hullámformáját nem tudnánk megfigyelni. Már veszélyes helyzet alakulna ki, ha a jelföldet a B csomóponthoz kapcsolnánk, mert ezzel a fényforrást is rövidrezárnánk (ez esetleg az előtét tönkremenetelével járna). A ábra szerinti körülmények között az előtét és a fényforrás feszültségének hullámformáját egyidejűleg nem tudjuk megfigyelni.

96 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 17.oldal ábra. Oszcilloszkóp használata hálózattal galvanikus kapcsolatban lévő áramkörben A mérési lehetőségeink bővülnek, ha a vizsgált áramkört földfüggetlen energiaforrásról tápláljuk, például a ábra szerinti módon leválasztó transzformátort használva. Ekkor a vizsgált áramkör bármelyik csomópontjához csatlakozhat a jelföld, így az előtét és a fényforrás feszültségének hullámformája egyidejűleg megfigyelhető, vagy a CH1 bemenetet a B csomópontra kötve, az áram lefolyása is vizsgálható ábra. Oszcilloszkóp használata a hálózattól elválasztott (földfüggetlen) áramkörben

97 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 18.oldal A korszerű hálózati táplálású elektronikus műszerekben a jelföldet ("hidegpont", LOW, COMMON) elválasztják a készülékháztól és ezzel az érintésvédelmi földtől, a kettő között a ábra szerinti nagyimpedanciájú kapcsolat van (Z LG). A jelföld és a készülékház között megengedhető feszültségkülönbség korlátozott, de az ilyen műszerek kevesebb kötöttséggel használhatók, mint a földelt bemenetűek ábra. A földeletlen bemenetű elektronikus műszerek bemeneti impedanciái Az elektronikus műszeres mérés előtt tanácsos a műszer használati utasítását (műszerkönyvét) áttanulmányozni, mert az adott műszer tulajdonságaira, használati módjára és kötöttségeire vonatkozó valamennyi információ a műszer skálalapján (homloklapján) és kezelőszervein nem tüntethető fel. Ellenőrző kérdések 1. Mi jellemzi az elektronikus műszerek felépítését, szolgáltatásait? 2. Mi mérőegyenirányítók szerepe, tulajdonsága? 3. Csúcsegyenirányítós, átlagérték-egyenirányítós műszerek milyen előjelű hibával mérnek négyszögjel illetve háromszögjel esetén? 4. Milyen felépítésű a szelektív váltakozófeszültség-mérő? 5. Milyen egységekből áll az analóg oszcilloszkóp, milyen üzemmódokban használható? 6. Oszcilloszkóp és függvénygenerátor felhasználásával hogyan mérhetjük egy jel frekvenciáját? 7. Milyen jelrögzítési és megfigyelési lehetőséget ad a digitális tárolóoszcilloszkóp előtriggereléssel illetve utótriggereléssel. 8. A digitális frekvencia- és periódusidő mérő mely üzemmódjában előnyös kis frekvenciájú illetve nagy frekvenciájú jelek mérése? 9. Milyen mérési módszer ajánlható fordulatszám stroboszkóppal való mérésekor? 10. Milyen módon használhatjuk az elektronikus műszereket erősáramú hálózatokban való mérésekre?

98 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 8. A mérési pontosság tartásának módszerei 8.1. A mérési hibák csoportosítása A mérési hibákat két csoportba osztjuk: - rendszeres hibák, - véletlen hibák. A rendszeres hibák olyan mérési hibák, amelyek nagysága és előjele meghatározható, ennek következtében a nyers mérési eredményeinket helyesbíteni, korrigálni tudjuk. A rendszeres hiba forrása a műszer vagy a mérési mód lehet. A skálahiba például a mérési módtól függetlenül érezteti hatását. A mérési módszerből eredő rendszeres hiba a műszerek fogyasztásából adódó feszültség- és árameloszlás-megváltozás. A véletlen hibák nagysága és előjele is változik, emiatt a nyers mérési eredményeink nem korrigálhatók. A véletlen hibák közé tartozik a csapsúrlódásból adódó beállási bizonytalanság, a leolvasási (interpolációs ) hiba. A véletlen hibák hatása csak úgy mérsékelhető, hogy sorozatmérést végzünk: - ugyanazt a mérendő mennyiséget, - ugyanazokkal a műszerekkel, - változatlan külső körülmények között, - ugyanaz a megfigyelő többször egymásután meghatározza. A mérési sorozat alapján megállapítható a mért mennyiség helyes értékének becslése (többnyire a mért értékek átlagát tekinthetjük a helyes értéknek) Kalibrálás, hitelesítés A mérőműszerek tulajdonságai és így pontosságuk a használat során változik. Időszakos ellenőrzésük és minősítésük szükséges, jónéhány esetben jogszabályok teszik ezt kötelezővé. A kalibrálás olyan műveletek összessége, amely egy műszer által mutatott számértéknek (X m ) és a mért mennyiség ezekhez tartozó helyes értékének (X p ) meghatározására szolgál. A kalibrálás során a vizsgált műszert egy jóval pontosabb műszerrel, mérési módszerrel minősítjük, lényegében összehasonlítást végzünk. A kalibrálás eredményét három különböző formában közölhetjük (8.-1. ábra): kalibrálási görbe: a mért mennyiség (X m ) függvényében ábrázoljuk a helyes értéket (X p ) derékszögű koordinátarendszerben; hibagörbe: a H=X m -X p abszolút hibát ábrázoljuk a mért érték (X m ) függvényében. A helyes érték az X p =X m -H összefüggéssel adódik, azaz az előjeles H abszolút hibát kivonjuk a mért értékből. helyesbítési (korrekciós) görbe: a K=X p -X m korrekció értékét ábrázoljuk az X m függvényében (K=-H). A helyes értéket az X p =X m +K összefüggés szolgáltatja, az előjeles korrekciót hozzáadjuk a mért értékhez.

99 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal ábra.. A kalibrálás eredményének ábrázolási módjai a) kalibrálási görbe, b) hibagörbe, c) helyesbítési (korrekciós) görbe A hibagörbe és a korrekciós görbe a a műszerek rendszeres hibájának közlésekor előnyös. A kalibrálási görbe általánosabb fogalom. Ha X m és X p eltérő dimenziójú mennyiség (például egy Deprez mv-mérőt hőelemmel társítva hőmérséklet mérésére használunk), a kalibrálási görbe ekkor is értelmezhető. A kalibráló mérőkörök lényeges tulajdonságai a következők legyenek: a mérendő mennyiség kellően finom lépésnagysággal vagy folyamatosan változtatható legyen, értéke ne ingadozzon; ugyanaz a mérendő mennyiség hasson mind a vizsgált, mind a referencia mérőműszerre; ábra. Voltmérő, ampermérő kalibrálása

100 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal ábra. A wattmérő kalibrálása A ábra voltmérő és ampermérő, a ábra wattmérő kalibráló mérőkörét ábrázolja. A ábra a fogyasztásmérő kalibrálásának elvi kapcsolását mutatja be. A fogyasztás helyes értékét a precíziós wattmérővel mért teljesítmény és az időtartam szorzataként kapjuk meg. A fogyasztásmérőt nem valóságos terheléssel, hanem un. műkapcsolásban vizsgáljuk: az áramtekercseket kis szekunder feszültségű transzformátorról tápláljuk, a feszültségtekercseket pedig a feszültség nagyságának és fázishelyzetének változtatását lehetővé tevő fázistolóról. Ezzel a megoldással a kalibrálás energiafogyasztása kicsi és tetszőleges fázisszögű fogyasztó modellezhető ábra. A fogyasztásmérő kalibrálása A mérőváltók kalibrálásakor - az áttételi hiba és a szöghiba meghatározásához - a primer és szekunder mennyiségek nagyságát és fázisszögét kellene mérnünk. A primer mennyiségek - nagy feszültségek és áramerősségek - közvetlen mérése általában nem lehetséges, ezért a mérőváltók kalibrálásakor egy pontosnak tekinthető mérőváltóval hasonlítjuk össze a vizsgált mérőváltót. A ábrán a feszültségváltó, a ábrán az áramváltó ellenőrzésére alkalmas kapcsolást mutatjuk be.

101 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal Mindkét kapcsolásra érvényes sajátosságok: a mérőváltók névleges áttételének meg kell egyeznie, a mérőkörökkel csak az áttételi hibát (feszültséghiba vagy áramhiba) tudjuk közelítőleg meghatározni. Ha a két mérőváltó szöghibája jelentősen eltér egymástól, ez az áttételi hiba meghatározásának pontosságát rontja. A vizsgált mérőváltó hibáját közelítőleg a mért feszültségkülönbség illetve áramkülönbség és a helyes érték viszonyaként kapjuk meg: h u = ΔU U p h i = Δ I I p ábra. Feszültségváltó ellenőrzése ábra. Áramváltó ellenőrzése

102 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal Bármilyen kalibrálási művelet esetében a helyes értéket mutató műszer (az összehasonlítás alapja, a referencia) pontossági osztálya lehetőleg egy nagyságrenddel jobb legyen, mint a minősített műszeré. Például egy 1 pontossági osztályú ampermérő kalibrálásakor ajánlatos 0,1 pontossági osztályú referenciaműszerrel dolgozni. Lehetőleg azonos jellegű műszereket hasonlítsunk össze, például effektívérték-mérő műszert ugyanilyen sajátosságú referenciaműszerrel kalibráljunk. Ha ez a feltétel nem teljesíthető, a mérőkör tápfeszültségének hullámformájával szemben kell magasabb követelményeket támasztanunk: sima egyenfeszültséggel illetve torzítatlan váltakozófeszültséggel kell a kalibrálást végrehajtanunk. A hitelesítés hatósági tevékenység, amelynek során eldöntik, hogy valamely mérőeszköz megfelel-e a típusára adott hitelesítési engedélyben valamint az illetékes mérésügyi hatóság idevonatkozó utasításában foglalt követelményeknek. A hitelesítést az Országos Mérésügyi Hivatal vagy az általa megbízott szervek végezheti el. A hitelesítés és a kalibrálás műveletei, mérőkörei hasonlóak egymáshoz (emiatt a kalibrálást is néha helytelenül hitelesítésnek nevezzük). A hitelesítés végrehajtását a hitelesítési bizonyítvány igazolja. Ez általában nem tartalmaza a mérőeszköz hibáját (nem közöl kalibrálási, korrekciós vagy hibagörbét), csupán azt tanúsítja, hogy ez a hiba kisebb egy jogszabályban meghatározott értéknél. Joghatással járó mérést hiteles műszerrel kell elvégezni A mérési hibakorlát meghatározása A mérési feladatok zömét úgy hajtjuk végre, hogy csak a műszereink pontossági osztályát ismerjük, hibagörbe vagy korrekciós görbe nem áll a rendelkezésünkre. Gyakori eset, hogy a minket érdeklő mennyiségeket nem közvetlenül határozzuk meg, hanem más mért eredményekből számítjuk (például ellenállást feszültség és áramerősség hányadosaként). Sok esetben szükségünk van arra, hogy a felhasznált műszereink pontossági osztálya és a mért értékek ismeretében meghatározzuk azt, hogy a mérési eredményeinknek az adott körülmények között mekkora lehet a maximális abszolút vagy relatív hibája. A mérési hibakorlát meghatározásakor a következő feltételekből indulunk ki: - az egyes műszerek a pontossági osztályuk által megszabott maximális (még éppen megengedett) hibával mérnek; - a hibák előjele olyan, hogy a számított eredményekben a hatásuk a legkedvezőtlenebb módon halmozódik (például osztással adódó számított érték esetén az osztandó és az osztó hibája ellentétes előjelű) A közvetlenül mért érték hibakorlátja A közvetlenül mért érték - például egy ampermérőn leolvasott áramerősség - hibakorlátja a műszer pontossági osztálya és a mért érték függvénye. A továbbiakban a következő jelölési módot követjük: H-val jelöljük az abszolút hiba abszolút értékét ( H helyett). A pozitív előjelű hibára +H utal (+ H helyett). a negatív előjelűre -H

103 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal hivatkozik (- H helyett). Az abszolút hiba korlátját a pontossági osztály és a konvencionális érték alapján a következő módon határozhatjuk meg: H max = h p X k ahol H max az abszolút hiba korlátja, h p a műszer pontossági osztálya, X k a konvencionális érték. A konvencionális érték fogalmával a alfejezetben foglalkoztunk. A konvencionális érték megválasztásakor az a szempont érvényesül, hogy a pontossági osztály, a konvencionális érték és a mért érték alapján számítható abszolút és relatív hibakorlát jól egyezzen a műszer konstrukciójából és működési elvéből adódó tényleges hibakorlátokkal. A mutatós műszerek nagy részénél a konvencionális érték a (felső) méréshatár, azaz a műszer végkitéréséhez tartozó érték (X v ). Ekkor az abszolút hibakorlát: H max = h p X v Az abszolút hiba korlátja tehát nem függ a mért értéktől. Ha a mért érték X m, a relatív hiba korlátja: h max = H max X p H max X m h max = h p α v α m = h p X v X m Az X p helyes értéket nem ismerjük, az X m mért érték ettől viszont alig tér el, ezért helyettesíthetjük vele X p -t. A relatív hiba korlátja már függ a mért értéktől, ez annál nagyobb lehet, minél kisebb a mért érték (az α m kitérés) a méréshatárhoz (az α v végkitéréshez) viszonyítva ábra. Az abszolút és relatív hibakorlát X k =X v esetén A kapcsolatokat a ábrán is ábrázoltuk. A mérési hibák mérséklése érdekében a mutatós műszereinkkel úgy dolgozzunk, hogy a skála felső harmadában, a végkitérés közelében mérjünk velük (megfelelő műszertípus- és méréshatár-megválasztás). Az előzőekben lényegében azt határoztuk meg, hogy egy műszernek - a pontossági osztálya követelményeinek még éppen eleget téve - mekkora abszolút és relatív hibát van "joga" elkövetni.

104 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal A mérési hibák halmozódása, a számított eredmények hibakorlátja A következőkben azt vizsgáljuk meg, hogy a számított eredmények hibakorlátja hogyan alakul, ha ismerjük a kiinduló (közvetlen) mért értékeink abszolút és relatív hibakorlátját. A számított eredmény hibakorlátjának meghatározásakor a műszereink által elkövetett hibát lényegében rendszeres hibaként kezeljük azzal, hogy a közvetlen mérések eredményeit a maximális megengedhető hibával vesszük számításba. Jelöljük X-el a közvetett módon mért (számított) eredményt, X 1...X n -el a közvetlenül mért eredményeket, a számított eredmény a következő függvénykapcsolattal legyen meghatározható: X = F ( X 1, X 2, X 3,... X n ) A rendszeres hibák továbbterjedési törvényét a következő egyenlet fejezi ki: H X max = F X 1 H 1 max + F X 2 H 2 max + F X 3 H 3 max F X n H n max ahol H Xmax a számított eredmény abszolút hibakorlátja, H 1max...H n max a közvetlenül mért eredmények abszolút hibakorlátjai. Összeadással adódó számított eredményre alkalmazzuk az előző törvényt: X = X 1 + X 2 H X max = ( X + X ) 1 2 H X 1 max + ( X + X ) 1 2 H 1 X 2 max = H 1 max + H 2 max 2 Az előző kapcsolat kivonással kapott számított mennyiségre is érvényes, valamint tetszőleges számú tagra. Az összeadással vagy kivonással (azaz additív műveletekkel) kapott számított eredmény abszolút hibakorlátja a közvetlenül mért értékek abszolút hibakorlátjának összege. Igen nagy lehet a számított mennyiség relatív hibakorlátja, ha a számított mennyiséget két egymáshoz közeli közvetlenül mért különbségeként adódik. X = X 1 - X 2 h X max = H X max X = H 1 max + H 2 max X 1 - X 2 Határozzuk meg például egy ellenálláson létrejövő feszültségesést úgy, hogy megmérjük az ellenállás mindkét kapcsán a feszültséget egy harmadik csomóponthoz viszonyítva, majd a két feszültség különbségét képezzük. Legyen mindkét voltmérőnk méréshatára 100 V, pontossági osztálya 1 (azaz 1%), az egyik 90 V, a másik 80 V feszültséget mérjen. Mindkét műszerünk abszolút hibakorlája 100V 0.01 = 1 V, a számított eredmény abszolút hibakorlátja 2 V lesz. A számított feszültségkülönbség 10 V, így a számított feszültségesés relatív hibakorlátja 2V / 10V = 0,2, azaz 20 %-os lesz.

105 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal Alkalmazzuk szorzással kapott számított mennyiségre a rendszeres hiba továbbterjedési törvényét: X = X 1 X 2 H X max = ( X X ) 1 2 H X 1 max + ( X X ) 1 2 H 1 X 2max = X 2 H 1max + X 1 H 2max 2 h X max = H X max X = X H 2 1 max + X H 1 2 max X 1 X 2 X 1 X 2 = H 1 max X 1 + H 2 max = h X 1 max + h 2max 2 Az előző kapcsolat osztással kapott számított mennyiségre is érvényes, valamint tetszőleges számú tényezőre. A szorzással vagy osztással (azaz multiplikatív műveletekkel) kapott számított eredmény relatív hibakorlátja a közvetlenül mért értékek relatív hibakorlátjának összege. Mérjük például egy egyenáramú kör feszültségét és áramerősségét majd ezekből számítsuk az egyenáramú teljesítmény. Mindkét műszerünk pontossági osztálya legyen 1 (1 %). A voltmérő méréshatára 600 V, a mért érték 150 V. Az ampermérő 10 A méréshatárú és 4 A-t mutat. A feszültség és az áramerősség mérésének relatív hibakorlátja: X h u max = h v p = 0,01* 600 =0,04= 4% X m 150 h u max = h p X v X m = 0,01* 10 4 =0,025=2,5 % Az egyenáramú teljesítményt a feszültség és az áramerősség szorzata adja, ennek relatív hibakorlátja a két relatív hibakorlát összege, azaz 6,5 % lesz. A számított érték hibakorlátja általában nagyobb, mint a műszerek pontossági osztálya értékeinek összege A mérőműszerek tartozékai A méréshatárt növelő tartozékok (előtét, sönt) három csoportba sorolhatók: - cserélhető tartozékok, - korlátozottan cserélhető tartozékok, - nem cserélhető tartozékok. A cserélhető előtétellenállásokon feltüntetik a feszültség-méréshatárt és az ellenállás (impedancia) értékét, a söntökön a névleges áramerősséget és az ennek hatására létrejövő feszültségesést. A korlátozottan cserélhető tartozékokon az előző jellemzőkön felül még megtalálható annak a műszernek a típusjele, amellyel együtt a tartozék használható. A nem cserélhető tartozékok arról ismerhetők fel, hogy csak a feszültség- illetve az áram-méréshatár szerepel rajtuk (az előtét ellenállása, a sönt feszültségesése nem), de feltüntetik annak a műszernek a gyártási számát, amellyel együtt használható. A megfelelő mérési pontosság érdekében mindig gondosan válasszuk meg a mérésben esetleg szükséges tartozékokat.

106 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal Ellenőrző kérdések 1. Mi jellemzi a rendszeres és mi a véletlen hibákat? 2. Milyen művelet a kalibrálás, hogyan közöljük ennek eredményét? 3. Mit értünk hitelesítés alatt? 4. Hogyan határozható meg a közvetlenül mért mennyiségek és az ezekből számított mennyiségek hibakorlátja? 5. Melyek a méréshatár növelését szolgáló tartozékok kiválasztásának legfontosabb szabályai?

107 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 9. Egyenáramú, egyfázisú váltakozóáramú mérések Ez a fejezet az egyenáramú illetve az egyfázisú váltakozóáramú körökben a feszültség, az áramerősség, a teljesítmények, az impedancia és a hullámforma mérésének, vizsgálatának néhány kérdésével foglalkozik Mérések egyenfeszültségről táplált áramkörökben Egyenfeszültségről táplált egyenáramú áramkörökben a feszültségek és áramerősségek méréséből következtethetünk a teljesítményekre és az ellenállásokra. Deprez műszerekkel mérünk. A a) ábra szerinti kapcsolásban (a voltmérő és az ampermérő elhelyezkedése alapján ezt V-A kapcsolásnak nevezzük) az ampermérő helyesen érzékeli a terhelés áramát, a voltmérő viszont nem az ellenállás feszültségesését, hanem az ellenálláson és az ampermérőn létrejövő feszültségesés összegét méri. A b) ábra szerinti kapcsolásban (ezt A-V kapcsolásnak nevezzük) a feszültség érzékelése helyes, az ampermérőn viszont átfolyik a voltmérő árama is. Mindkét kapcsolásban kisebb-nagyobb rendszeres hiba jön létre ábra. Ellenállás, teljesítmény mérése egyenáramú áramkörben a) V-A kapcsolás, b) A-V kapcsolás a) V-A kapcsolásban: b) A-V kapcsolásban U t =U - IR A U t =U I t = I I t = I - U R v

108 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal A V-A kapcsolásról az A-V kapcsolásra igen egyszerű áttérni, mindössze a voltmérő egyik csatlakozási pontját kell az ampermérő hálózat felőli kapcsáról a fogyasztó (az ellenállás) felőli kapcsára áthelyezni. Ezt az áttérést elvégezve a mutatott értékek megváltozhatnak, négy eset következhet be: Sem a voltmérő, sem az ampermérő által mutatott érték nem változik. Ekkor mindkét műszer kis fogyasztású, akár V-A, akár A-V kapcsolásban mérhetünk. Csak a voltmérő által mért érték változik, ekkor az ampermérő ellenállása összemérhető a terhelés ellenállásával. A-V kapcsolásban mérjünk. Ez a kapcsolás kis ellenállások mérésekor előnyös. Csak az ampermérő által mért érték változik. Ekkor a voltmérő ellenállása (áramfelvétele) összemérhető a terhelésével. A V-A kapcsolást használjuk. Nagy ellenállást mérjünk ilyen kapcsolásban. Mind a voltmérő, mind az ampermérő által mért érték megváltozása észlelhető nagyságú. A V-A kapcsolásban dolgozzunk, ha a voltmérő által mért érték relatív változása kisebb, egyébkét az A-V kapcsolásban mérjünk. Mindegyik esetben a nyers mérési eredményeinket korrigálni kell. V-A kapcsolásban (9.-1. a) ábra) a mért feszültséget kell helyesbíteni, ehhez ismernünk kell az ampermérő belső ellenállását. U t =U -U A = U - IR A A-V kapcsolásban (9.-1. b) ábra) s mért áramot korrigáljuk a voltmérő belső ellenállása ismeretében. A mért és esetenként korrigált eredményeink birtokában számítható a terhelés ellenállása és felvett teljesítménye: R = U t I t P = U t I t Mind az ellenállás, mind a teljesítmény mérésének relatív hibakorlátja: h max = h V α vv α V + h A α va α A ahol h V illetve h A a műszerek pontossági osztálya, a vv illetve a va a végkitérés, a V illetve a A a mért kitérés Mérések egyenirányítók áramkörében Az egyenirányítók - a nem vezérelt (diódás) és a vezérelt (tirisztoros) egyaránt - hullámos egyenfeszültséget adnak, a fogyasztókon is hullámos egyenáram folyik. Ilyen áramkörökben a reaktív áramköri elemek (fojtótekercs, kondenzátor) is befolyásolják az áram- és feszültségeloszlást és a hullámformát (ezért például a hullámosság csökkentésére is használhatók).

109 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal Feszültség, áramerősség és teljesítmény mérése egyenirányítók körében A hullámos egyenáramú körökben jelentkező néhány mérési sajátosság: Hullámos egyenfeszültség és egyenáram középértéke és effektív értéke nem egyezik meg egymással. Középérték-mérő (Deprez-) műszerek és effektív érték-mérő (pl. lágyvasas) műszerek használatára egyaránt szükség lehet. Középértékkel arányos például az egyenáramú gépek nyomatéka, a galvanizálás során kiváló anyagmennyiség, az akkumulátorokban felhalmozott töltés, ilyen áramkörökben Deprez-műszerekkel mérjünk. Az ellenálláson létrejövő teljesítmény az effektív értékektől függ, a feszültséget és az áramerősséget lágyvasas műszerekkel mérjük, ezek szorzata megadja a teljesítmény. A reaktív komponenst is magába foglaló áramköri elemen a feszültség és az áram hullámformája eltérő. Ilyen tulajdonságú például egy egyenáramú gép gerjesztőtekercse, amelynek önindukciós tényezője jelentős. Ilyen esetekben a teljesítményt wattmérővel kell mérnünk (9.-2. ábra), a feszültség és az áramerősség szorzata nem adja helyesen a teljesítményt (akkor sem, ha effektív érték-mérő műszerekkel mérjük ezeket) ábra. Hullámos egyenfeszültségből táplált áramkör vizsgálata P UI Hullámforma vizsgálata egyenirányítók áramkörében A hullámforma vizsgálatára oszcilloszkópot használhatunk, ezzel közvetlenül a feszültség hullámformája figyelhető meg. Az áram hullámformájának megjelenítésére az áramkör megfelelő ágába söntöt iktatunk be, az ezen létrejövő feszültségesés arányos az árammal, emiatt a hullámformája is egyező. A ábrán kondenzátoros szűrésű egyenáramú tápegység hullámformáinak vizsgálatát mutatjuk be. A kétsugaras oszcilloszkóp CH1 csatornáján a terhelésre jutó feszültség időbeli lefolyása, a CH2 csatornán a transzformátor szekunder oldalán - és egyben a diódákon - folyó áram hullámformája figyelhető meg. Az egyenirányító transzformátorról táplált, földfüggetlen, emiatt az oszcilloszkóp jelföldje az áramkör bármelyik pontjára csatlakozhat, de csak

110 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal ehhez a ponthoz viszonyított feszültségek figyelhetők meg a két csatornán. A mérésből kapott információra két példa: A CH1 csatornán AC bemeneti csatolási módot beállítva (ezzel a feszültség egyenáramú összetevőjét leválasztva) a feszültség váltakozóáramú összetevőjének csúcstól-csúcsig mért értékét határozhatjuk meg. (Ez a legnagyobb pillanatérték és a legkisebb pillanatérték különbsége.) A váltakozóáramú összetevőnek a Deprez-voltmérő által mért középértékhez viszonyított aránya hullámosság mérőszáma. A CH2 csatornán DC bemeneti csatolással megfigyelhető az áram időbeli lefolyása, mérhető az áram csúcsértéke. Ellenőrizhetjük, hogy a diódára megengedett csúcsértéket nem lépjük-e túl a vizsgált kapcsolásban ábra. Kondenzátoros szűrésű egyenáramú tápegység vizsgálata Vezérelt egyenirányítók vezérlési jelleggörbéinek vizsgálata A ábrán egy egyfázisú vezérelt egyenirányító elvi kapcsolását vázoltuk fel. A tirisztorok bekapcsolódásának a feszültség nullaátmenetéhez viszonyított α g szöggel való késleltetéséről a vezérlőegység gondoskodik. A gyújtáskésleltetés változtatható, ennek hatására a terhelésre jutó feszültség középértéke és effektív értéke is változik. Ezeket a függvénykapcsolatokat lehet meghatározni a ábra szerinti mérőkörrel ábra. Egyfázisú vezérelt egyenirányító vizsgálata

111 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal A gyújtáskésleltetési szög méréséhez oszcilloszkópot használunk, amely X-Y módban dolgozik. A függőleges bemenetére a terhelésre jutó feszültséget kapcsoljuk (u y ), a vízszintesre egy fázistoló szinuszos kimenőjelét (u x ). A fázistoló feszültségének fázishelyezete változtatható, a fázistolás nagysága leolvasható ennek kezelőszerveiről. Az oszcilloszkóp ernyőjén felrajzolódó alakzat - Lissajous ábra - alapján lehet a gyújtáskésleltetési szöget megállapítani (9.-5. ábra). Két esetben kapunk jól azonosítható, jellegzetes alakzatot a képernyőn: - ha a fázistoló feszültsége és a transzformátor szekunder feszültsége azonos fázisú (9.-5. a) ábra); - ha a fázistoló feszültségének nullaátmenete a gyújtás pillanatával egybeesik (9.-5. b) ábra) ábra. Az egyfázisú vezérelt egyenirányító gyújtáskésleltetési szögének megállapítása a Lissajous-ábrák alapján A gyújtáskésleltetési szög úgy mérhető, hogy a fázistoló kimenő feszültségének fázishelyzetét változtatva először az a) majd a b) ábra szerinti Lissajous ábrát jelenítjük meg a képernyőn. A fázistolón leolvassuk, hogy mekkora fázisszög-változás hatására jutottunk az a) alakzatból a b)-be. Ez a fázisszög-vátozás az α g gyújtáskésleltetési szöggel azonos. A Deprez- és a lágyvasas voltmérő a feszültség középértékét illetve effektív értékét méri. A vezérlési jelleggörbe a gyújtáskésleltetési szög függvényében a terhelésre jutó feszültség változását ábrázolja.

112 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal 9.2. Mérések egyfázisú váltakozóáramú áramkörökben Teljesítmény és impedancia mérése szinuszos hullámforma esetén A feszültség, áramerősség és hatásos teljesítmény mérésével az egyfázisú fogyasztókészülékek igen sok jellemzője határozható meg (9.-6- ábra). A feszültségágakat (voltmérő, wattmérő feszültségtekercse) általában a fogyasztóra célszerű csatlakoztatni (ezt a 9.1. alfejezetben A-V kapcsolásnak neveztük). A szinuszos hullámforma miatt a feszültség és az áramerősség mérésére egyenirányítós Deprez-műszereket is használhatunk. A mért eredményekből számítható mennyiségek: ábra. Egyfázisú fogyasztó teljesítmény- és impedanciaviszonyainak mérése volt-, amper- és wattmérővel A látszólagos teljesítmény: A fogyasztó impedanciája: S =UI Z = U I A meddő teljesítmény: Q = S 2 - P 2

113 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal A teljesítménytényező: cosφ = P S A meddő teljesítmény mérésének hibakorlátja igen nagy lehet (a négyzetgyökjel alatt különbségképzés van), ha a fogyasztó közel ellenállásjellegű, azaz a látszólagos teljesítményéhez közeli értékű a hatásos teljesítménye. A fogyasztó impedanciájának soros és párhuzamos helyettesítő képét is meghatározhatjuk. Az összefüggések levezetésekor abból indulunk ki, hogy hatásos teljesítmény csak az ellenálláson, meddő teljesítmény csak a reaktancián jön létre. Soros helyettesítő kapcsolás esetén: P = I 2 R s, Q = I 2 X s Rendezés és helyettesítés után: Párhuzamos helyettesítő kapcsolás esetén: Rendezés és helyettesítés után: R s = P I 2, X s = Q I 2 = S 2 - P 2 P = U 2 R p, Q = U 2 X p I 2 R p = U 2 P, X p = U 2 Q = U 2 S 2 - P 2 A reaktancia hibakorlátja lehet igen nagy, ha közel ellenállásjellegű az impedancia. A V-A-W-mérés méréssel nem tudjuk eldönteni, hogy a reaktív összetevőt is magábafoglaló fogyasztó induktív vagy kapacitív jellegű-e. Ha a terhelés a ábra szerinti RLC kör (pl. egyedi fázisjavító kondenzátorral kompenzált gázkisülő lámpa), akkor a teljesítménytényező mérésével tudjuk meghatározni, hogy az eredő impedancia induktív vagy kapacitív jellegű, azaz alulkompenzált vagy túlkompenzált az áramkör.

114 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal ábra. Egyfázisú RLC terhelés vizsgálata ábra. Impedanciamérés három voltmérővel a) kapcsolás, b) vektorábra Három voltmérővel mérhetjük az impedanciát a ábra szerinti kapcsolásban, ha ez kevéssé terhelhető vagy nincs kis áram-méréshatárú wattmérőnk. Nagy belső ellenállású voltmérőkkel dolgozzunk, pl. egyenirányítós Deprez-műszerekkel. Mérhetünk egyetlen voltmérővel is, egymást követően mérve az U R, U Z és U feszültségeket. A mérési pontosság szempontjából kedvező az, ha R N értéke Z x abszolút értékével közel egyenlő. Az R N és a Z x árama azonos (mivel sorbakapcsoltuk ezeket), a feszültségesések: U R = IR N, U Z = IZ X

115 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal A két egyenletet elosztva egymással: Az impedancia abszolút értéke: U R U Z = IR N IZ X = R N Z X Z X = R N U Z U R Az impedancia szögét a ábra vektorábrájából koszinusztétellel határozhatjuk meg, figyelembe véve azt, hogy az impedancia szöge a háromszög külső szöge: φ =arc cos U 2 -U 2 2 R -U Z 2U R U Z Az abszolút érték és a fázisszög birtokában az impedancia soros helyettesítő képének összetevői: R S = Z cos φ, X S = Z sin φ A fázisszög és ennek következtében az impedancia reaktív összetevőjének hibakorlátja nagy, ha közel ellenállásjellegű a mért impedancia. A három voltmérős módszer előnye, hogy nem csupán a hálózati 50 Hz frekvencián mérhetünk, ha van megfelelő szinuszos jelgenerátorunk és ehhez igazodó felső határfrekvenciájú (elektronikus) voltmérőnk. Ez az impedanciamérési mód viszont nem előnyös hálózati fogyasztókészülékek vizsgálatára, mivel igen nehezen volna biztosítható az, hogy a mérés során a készülék mindig a névleges feszültségen üzemeljen Egyfázisú váltakozóáramú szaggatók vizsgálata A váltakozóáramú szaggatók a félvezetős teljesítményszabályozás gyakran használt eszközei, például izzólámpák fényáramának, kéziszerszámok fordulatszámának változtatására adnak lehetőséget. A váltakozóáramú szaggatók működési sajátosságaival röviden foglalkoztunk az 1.4. alfejezetben, az ábra kapcsán. A szaggató vezérelt félvezető kapcsoló eleme triak vagy antiparallel tirisztorpár. A terhelésre jutó feszültség és a terhelés árama nemszinuszos. A váltakozóáramú szaggatók esetében a vezérelt egyenirányítókéhoz hasonló mérési feladatok adódhatnak: a hullámforma vizsgálata, a vezérlési jelleggörbe felvétele, a teljesítményviszonyok elemzése.

116 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 10.oldal ábra. Egyfázisú váltakozóáramú szaggató vizsgálata P U I t cos φ A feszültség, áramerősség, teljesítmény és hullámforma vizsgálatára, egyes jelenségek megfigyelésére alkalmas mérőkört a ábrán ábrázoltuk. A mérőkör néhány sajátossága és ezek indoklása: Váltakozóáramú szaggatók feszültségének és áramerősségének mérésekor effektív érték-mérő (pl. lágyvasas) műszereket használjunk, más működési sajátosságú mérőműszerek esetleg félrevezető információt adnak. (A feszültség csúcsértéke az α g = gyújtáskésleltetési szögtartományban változatlan, egy csúcsegyenirányítós műszer például egyáltalán nem mutatja a feszültség változását addig, amíg a gyújtáskésleltetés 90 -nál kisebb.) A cosφ-mérő és a wattmérő feszültségtekercsét - a frekvenciahiba csökkentése érdekében - nem a terhelésre, hanem a hálózat - gyakorlatilag szinuszos - feszültségére kapcsoltuk. A szaggató közvetlenül (galvanikus elválasztás nélkül) a hálózatról kap táplálást, az oszcilloszkóp jelföldje a hálózat nullavezetőjével van összekötve. A szaggatót R t ellenállással terhelve, a gyújtáskésletetési szöget változtatva a következőket mondhatjuk el: A cosφ-mérő 1-nél kisebb induktív teljesítménytényezőt mutat, mintha az ellenállás meddő teljesítményt igényelne. Ennek oka az, hogy az áram alapharmonikusa a feszültséghez viszonyítva - a gyújtáskésleltetéstől függő mértékben - késik. A terhelés valódi teljesítménye wattmérővel mérhető, vagy a terhelésre jutó U t feszültség és a terhelés I t áramerősségének szorzataként is meghatározható. A hálózati U feszültséggel és az I t áramerőséggel számított S=UI t látszólagos teljesítmény és a mért cosφ szorzata nem egyenlő a P tényleges teljesítménnyel. Ha a szaggatóról ohmos-induktív fogyasztót (R t -L t ) táplálunk (pl. egy váltakozóáramú kommutátoros motoros kézifúrógépet), ilyen terhelés esetén a tényleges teljesítmény csak wattmérővel mérhetjük, a feszültség és áramerősség mérésével nem (P U t I t ). A váltakozóáramú szaggatók vezérlési jelleggörbéje a vezérelt egyenirányítókéhoz hasonló módon mérhető, a gyújtáskésleltetési szög szintén a Lissajous ábra alapján állapítható meg.

117 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 11.oldal Átlagteljesítmény mérése fogyasztás és időtartam mérésével A fogyasztásmérő tárcsafordulatainak számlálásával és időtartam mérésével átlagteljesítményt számíthatunk. Jelöljük az T időtartam alatt megtett fordulatok számát N-nel. A fogyasztásmérő műszerállandója C, ez az 1 kwh fogyasztáshoz tartozó tárcsafordulatok száma. Határozzuk meg az 1 Ws fogyasztáshoz tartozó tárcsafordulatok számát, jelöljük ezt C'-vel: Az N megtett fordulathoz tartozó fogyasztás: A T időtartamon belüli átlagteljesítmény: 1kWh =10 3 W * 3, s=3, Ws C, ford Ws = 1 3,6*10 6 C ford kwh W = C ' N P = W T = N C ' T 3,6* 106 P = C ahol P az átlagteljesítmény, W; C a fogyasztásmérő műszerállandója, ford/kwh; N a megtett fordulatok száma; T az N fordulat megtételéhez szükséges időtartam, s. Ezzel a módszerrel kisebb fogyasztók teljesítményét ellenőrizhetjük ott, ahol az üzemi műszerezésben nincs wattmérő, vagy - ismert teljesítményű fogyasztóval - egy fogyasztásmérő helyes működéséről győződhetünk meg. N T Ellenőrző kérdések 1. Hogyan mérhetünk voltmérővel és ampermérővel kis és nagy ellenállást? 2. Hogyan mérhetjük hullámos egyenáramú áramkörökben az egyenáramú teljesítményt? 3. Milyen erősáramú módszerekkel és műszerekkel mérhetjük az impedanciát? 4. Milyen jelenségek, mérési sajátosságok jellemzik az egyfázisú váltakozóáramú szaggatókat? 5. Hogyan mérhetünk fogyasztásmérővel teljesítményt?

118 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 10. Mérések háromfázisú váltakozóáramú áramkörökben A háromfázisú teljesítmény és fogyasztás mérésének általános kérdései A háromfázisú hatásos és meddő teljesítmény illetve a fogyasztás mérésének sajátosságai: A hálózat szimmetriaviszonyaitól függően egyszerűbb vagy összetettebb mérőrendszerrel mérhető a teljesítmény és a fogyasztás. Teljes szimmetria (szimmetrikus feszültségek és terhelőáramok) esetén a legegyszerűbb a mérőrendszer. Az aszimmetrikus hálózati viszonyok között használható mérési módszerek természetesen szimmetria esetén is helyesen mérnek. A háromfázisú mennyiségek meghatározhatók több (kettő vagy három) egyfázisú (egy mérőrendszeres) műszerrel mért értékekből számítással. A másik lehetőség háromfázisú - két vagy három mérőrendszert tartalmazó, közös tengelyre dolgozó - mérőműszerekkel a háromfázisú mennyiségek közvetlen mérése. A wattmérő és a fogyasztásmérő alkalmazási módja igen hasonló. A háromfázisú hatásos és meddő teljesítmény mérésére alkalmas speciális kapcsolási megoldások többnyire a hatásos és meddő fogyasztásmérők kapcsolásában is fellelhetők A komplex teljesítmény értelmezése Az egyfázisú komplex teljesítményt megállapodásszerűen a következő módon definiáljuk: S =U * I = P + jq A ábrán összefoglaltuk az előző összefüggés szerint adódó teljesítmények előjelét. A fogyasztó hatásos teljesítménye, a kondenzátor meddő teljesítménye pozitív. Az áram fázisszögének vonatkoztatási alapja a feszültség, ehhez viszonyítva siető fázisú - azaz kapacitív terhelés - áramának fázisszögét tekintjük pozitívnak. A wattmérő a hatásos teljesítményt méri, azaz a komplex teljesítmény valós (reális) összetevőjét. (Megjegyzés: Az energetikában ettől eltérő konvenció használatos, eszerint az induktív meddő teljesítményt tekintik pozitívnak.)

119 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal ábra. A teljesítmények előjele, a fázisszög értelmezése az S=U *I I összefüggéssel definiált komplex teljesítmény esetén A háromfázisú teljesítmény a három fázis komplex teljesítményének összege: S =U R * I R + U S * I S +U T * I T A meddő teljesítmény mérésének általános elvi lehetőségét az egyfázisú terhelés esetére vizsgáljuk: S =U * I = P + jq A fogyasztó feszültségére csatlakoztassuk egy fázistoló bemenetét, a kimenetéről tápláljuk a wattmérő feszültségtekercsét ( ábra). A fázistoló +90 fáziseltolást hozzon létre. A komplex U feszültségvektor szorzása +j-vel 90 -os előreforgatást eredményez. A wattmérő által mért mennyiség: ( j U )* I = j * U * I =- j ( P + jq )=- jp +Q A feszültség 90 -os elforgatásával a wattmérő a meddő teljesítményt fogja mérni, mivel a komplex teljesítménynek most ez a valós összetevője. A +90 -os elfogatással kapacitív, a -90 -os elforgatással induktív fogyasztó esetén kapunk a wattmérőn pozitív kitérést.

120 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal ábra. A meddő teljesítmény mérésének elve A háromfázisú hálózatokban - szimmetrikus feszültségek esetén - a fázisfeszültségek és a megfelelő vonali feszültségek vektorai merőlegesek egymásra, azaz 90 -os a fáziskülönbségük ( ábra). A háromfázisú meddő teljesítmény, fogyasztás mérésekor gyakran használjuk az un. műkapcsolást. Ez azt jelenti, hogy a hatásos teljesítmény illetve a fogyasztás mérésére való mérőművet úgy tesszük alkalmassá meddő mérésére, hogy a műszer feszültségágára a megfelelő, 90 -kal elforgatott fázishelyzetű feszültséget csatlakoztatjuk ábra. Háromfázisú szimmetrikus feszültségrendszer feszültségei Általános érvénnyel elmondható (ennek bizonyítására nem térünk ki), hogy minden háromfázisú hatásos teljesítmény (illetve fogyasztás) mérésére alkalmas kapcsolás átalakítható meddőt mérővé, ha valamennyi feszültségágra kapcsolt feszültséget rendre elforgatjuk +90 -kal (kapacitív meddő esetén) vagy -90 -kal (induktív meddő esetén).

121 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal Teljesítmény és fogyasztás mérése háromvezetős háromfázisú rendszerben A háromvezetős rendszerben alkalmazott mérési megoldások négyvezetős rendszerben is használhatók akkor, ha a negyedik vezetőt (a nullavezetőt) nem csatlakoztatjuk a terheléshez. (A háromfázisú motorok általában nem igénylik a nullavezetőt.) A háromvezetős rendszerben a vonali áramok vektorainak összege nulla: I R + I S + I T = Mérés szimmetrikus hálózatban Szimmetrikus feszültségek és áramok esetén a ábra szerinti kapcsolásban mérhetjük a hatásos és a meddő teljesítményt 1-1 wattmérővel. Az R fázis hatásos teljesítményének méréséhez mesterséges csillagpontot hozunk létre, így a wattmérő feszültségágára az U R fázisfeszültség jut. (Egyes hordozható wattmérő-típusokhoz készítenek tartozékként csillagpontképző ellenállásokat.) A háromfázisú hatásos teljesítmény az R fázisban mért teljesítmény háromszorosa: P = 3P R ábra. Hatásos és meddő teljesítmény mérése szimmetrikus háromfázisú, háromvezetős hálózatban Az R fázis meddő teljesítményét műkapcsolásban mérjük, a wattmérőre az UTS vonali feszültséget csatlakoztatjuk (az ábra szerinti kapcsolásban induktív meddő teljesítmény esetén kapunk pozitív kitérést). Az U TS feszültség fázishelyzete megfelelő a meddő teljesítmény mérése szempontjából, de 3 -szor nagyobb, mint a fázisfeszültség. Emiatt ez a wattmérő az R fázis

122 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal ' meddő teljesítményének 3 -szorosát méri ( Q R ' wattmérőről leolvasott Q R teljesítmény alapján: ). A háromfázisú meddő teljesítmény a Q =3Q R = 3 Q R ' 3 = 3 Q R ' A teljesítmény mérésének ezek a módszerei, kapcsolásai főleg kapcsolótáblába építhető műszerekben használatosak. Fogyasztásmérők nem készülnek ilyen kapcsolási megoldással Mérés aszimmetrikus hálózatban A hatásos teljesítmény mérése aszimmetrikus feszültségek és terhelés esetén két wattmérővel, az Aron-kapcsolásban lehetséges ( ábra). Az Aron-kapcsolás jellegzetességei: a wattmérők feszültségtekercsének egyik kapcsa arra a fázisra csatlakozik, amelyikbe az áramtekercs van beiktatva, a másik kapocs a "közös" fázisra, amelyikben nincs áramtekercs. A háromfázisú teljesítmény: S =U * R I R + U S * I S +U T * I T ábra. Teljesítmény mérése két wattmérővel. Aron-kapcsolásban, háromvezetős hálózatban Háromvezetős rendszerben a három vonali áram vektoros összege nulla: I R + I S + I T = 0 I S -re rendezve az egyenletet: I S =- I R - I T A háromfázisú teljesítményt meghatározó egyenletbe ezt helyettesítsük be:

123 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal S =U R * I R + U S * (- I R - I T )+ U T * I T S =U R * I R -U S * I R -U S * I T +U T * I R I R illetve I T kiemelésével: S =( U R *-U S *) I R +( U T *-U S *) I T A konjugált képzés és a kivonás sorrendje felcserélhető: S =( U R -U S )* I R +( U T -U S )* I T S =U RS * I R +U TS * I T P =Re(S)=Re( U RS * I R )+Re( U TS * I T )= P I + P II Az előző egyenletünk azt mondja ki, hogy háromvezetős rendszerben úgy mérhetünk hatásos teljesítményt, hogy az egyik wattmérőre az I R áramot és az U RS vonali feszültséget kapcsoljuk, a másikra az I T áramot és az U TS vonali feszültséget adjuk. A háromfázisú teljesítmény a két wattmérő által mért teljesítmény összege. Az Aron kapcsolást használva ajánlatos a következők szerint eljárni: - Ellenőrizzük a fázissorrendet. (Fordított fázissorrend esetén a P I -et és a P II -t mérő wattmérők szerepet cserélnek.) - Ügyeljünk a feszültség- és áramtekercsek rendszerezett, a ábra szerinti polaritású bekötésére. (A * jelölés a wattmérők kapcsain szerepel, a tekercskezdeteket jelöli.) - Lehetőleg a feszültségtekercs polaritásának átváltására való kapcsolóval ellátott wattmérőket használjunk. (A terhelés fázisszögétől függően egyes wattmérők kitérése negatív irányú lehet, a feszültségtekercs polaritásának átváltásával kaphatunk pozitív kitérést.) Az előző feltételek teljesülése esetén mindkét wattmérő mért teljesítményéhez előjelet rendelhetünk hozzá (a polaritásváltó kapcsoló állása mutatja az előjelet). Az előjeles P I és P II teljesítmény összege megadja a háromfázisú hatásos teljesítményt: P = P I + P II Teljes szimmetria esetén (szimmetrikus feszültségek és áramok) a meddő teljesítmény is számítható: Q = 3 ( P I - P II ) A P és Q egyaránt előjeles mennyiség. (P pozitív fogyasztó esetén, Q pozitív kapacitív terhelés esetén.) Az előjel alapján a terhelés jellege, ennek esetleges változása megítélhető.

124 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal ábra. Az Aron-kapcsolású teljesítménymérés vektorábrái szimmetrikus háromvezetős hálózat esetén a.) cosφ=0,5 kapacitív, I T U TS P II =0 b.) cosφ=0,5 induktív, I R U RS P I = 0 c.) cosφ=1, P I = P II A ábrán bemutatjuk - szimmetrikus feszültségek és terhelés esetén - az Aron-kapcsolás vektorábráit, cosφ=1, cosφ=0,5 induktív és cosφ=0,5 kapacitív terhelés esetére. Az egyes wattmérők által mért érték az áramvektor feszültséggel megegyező irányú vetületének és a feszültségnek a szorzatával egyenlő. A vektorábrákból látható, hogy cosφ=1 esetén a két wattmérő kitérése megegyező nagyságú lesz, cosφ=0,5 esetén egyik vagy másik wattmérő kitérése 0, cosφ=0,5-nél kisebb teljesítménytényezők esetén valamelyik wattmérő kitérése negatívvá válik. A ábrán a fogyasztó fázisszögének függvényében ábrázoltuk az egyes wattmérők által mért teljesítmény változását ábra. Az Aron-kapcsolású teljesítménymérés wattmérőinek kitérése a terhelés fázisszögének ( φ ) függvényében, szimmetria esetén

125 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal Közel induktív vagy kapacitív terhelés esetén a két wattmérő által mért teljesítmények abszolút értéke közel egyenlő és ezek ellentétes előjelűek, ekkor a hatásos teljesítmény mérésének hibakorlátja igen nagy lehet. A meddő teljesítmény meghatározása a közel ohmos fogyasztó esetén jár nagyobb hibával. A háromfázisú teljesítmény mérésére készítenek két mérőrendszeres, Aron-kapcsolású wattmérőket, hordozható és kapcsolótáblába építhető változatban is. A két mérőmű mozgórésze közös tengelyre van felerősítve, a nyomatékok összegződése a mérőműben játszódik le, a műszer közvetlenül a háromfázisú teljesítményt mutatja ábra. A wattmérők által mért teljesítmény előjelének megállapítása az Aron-kapcsolásban a) mérés, b) vagy, c) P k előjelének megállapítása Sok esetben elegendő a hatásos és a meddő teljesítmény abszolút értékének meghatározása, mivel a terhelés jellegét ismerjük (tudjuk, hogy fogyasztó vagy termelő, induktív vagy kapacitív). Ilyen helyzetben a két wattmérővel, Aron-kapcsolásban való méréskor a wattmérők által mért teljesítmények előjelének kezelése egyszerűbb. A fázissorrend közömbös, a tekercsek bekötésének polaritására sem kényes a mérőkör. A ábrán ábrázoltuk a kapcsolást, szándékosan elhagyva a mérés szempontjából közömbös jellemzők (pl. a fázissorrend) feltüntetését. A mérés során a következő módon járjunk el: A feszültségtekercsek polaritásának esetleges átváltásával (a polaritásváltó kapcsolót használva vagy a feszültségtekercs kapcsaihoz menő vezetékeket megcserélve) mindkét wattmérőn pozitív kitérést hozunk létre, majd mindkét mérő által mért teljesítményt leolvassuk. A nagyobb kitérést adó wattmérő által mért P n teljesítményt pozitív előjelűnek tekinthetjük. A a) ábra szerinti példában a középső fázisban lévő wattmérő méri a nagyobb, Pn-nel jelzett teljesítményt. A kisebb kitérést adó wattmérő által mért P k teljesítmény előjelét meg kell határoznunk (ez

126 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal pozitív vagy negatív is lehet). Ehhez a b) ábra szerint úgy bontsuk meg a két műszer feszültségágának a közös (alsó) fázishoz való kapcsolatát, hogy a két feszültségtekercs egymással összeköttetésben maradjon (sorbakapcsolódva, vonali feszültségre csatlakoznak). Elvégezhetjük úgy is az előjelvizsgálatot, hogy a kisebb teljesítmény mutató wattmérő feszültségtekercsét a c) ábra szerint a közös fázisról a nagyobb teljesítmény mutató wattmérő fázisára csatlakoztatjuk. Megfigyeljük, hogy a bontás vagy átkapcsolás következtében a korábban a kisebb teljesítmény mutató wattmérő milyen irányban tér ki. A kitérés nagysága közömbös, csak az iránya lényeges. Ha az átkapcsolás után is pozitív kitérést kapunk, a korábban leolvasott P k -t pozitív előjelűnek tekinthetjük, egyébként P k előjele negatív lesz. A pozitívnak tekintett P n és az előjeles P k alapján a hatásos teljesítmény abszolút értéke: P = P n + P k Szimmetrikus feszültségek és terhelés esetén a meddő teljesítmény is meghatározható: Q = 3( P n - P k ) Szimmetrikus feszültségek, aszimmetrikus terhelés esetén a meddő teljesítmény két wattmérővel az un. átalakított Aron-kapcsolásban mérhető ( ábra). A wattmérőkre - az Aron-kapcsoláshoz viszonyítva kal elforgatott feszültségeket kapcsolunk: az I wattmérőre U RS helyett a -U T, a II wattmérőre U TS helyett +U R feszültség hat. A fázisfeszültségeket mesterséges csillagpont képzésével állítjuk elő. A wattmérők által mutatott Q I és Q II teljesítményekből a háromfázisú meddő teljesítmény a következő módon számítható: Q = 3( Q I +Q II ) ábra. Meddő teljesítmény mérése átalakított Aron-kapcsolásban, háromvezetős hálózatban, szimmetrikus feszültségek esetén R 1 =R 3 =R 2 -R u Az átalakított Aron-kapcsolást többnyire két mérőrendszeres háromfázisú meddőteljesítménymérő műszerekben használják, pl. kapcsolótáblába építhető műszerekben.

127 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 10.oldal Szimmetrikus feszültségek és aszimmetrikus terhelés esetén a háromfázisú meddő teljesítmény mérését három wattmérővel is megoldhatjuk a ábra szerinti kapcsolásban. Lényegében a ábra szerinti műkapcsolást használjuk mindhárom fázisban. A wattmérők az egyes fázisok meddő teljesítményének 3 -szorosát mérik, a háromfázisú meddő teljesítmény: Q = 1 3 ( Q R ' + Q S ' + Q T ) ábra. Meddő teljesítmény mérése három wattmérővel műkapcsolásban, háromvezetős hálózatban, szimmetrikus feszültségek esetén Háromvezetős rendszerben két mérőrendszeres Aron-kapcsolású fogyasztásmérővel mérhetünk hatásos fogyasztást. A és a ábra a két mérőrendszeres fogyasztásmérő közvetlen illetve mérőváltókkal együttes alkalmazását mutatja be ábra. Hatásos fogyasztás mérése két mérőrendszeres Aron-kapcsolású fogyasztásmérővel háromvezetős hálózatban

128 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 11.oldal ábra. Az Aron-kapcsolású fogyasztásmérő használata mérőváltókkal együtt Két mérőrendszeres, műkapcsolású fogyasztásmérővel a és a ábra szerint mérhetünk meddő fogyasztást. (A fogyasztásmérő feszültségágaiba fázistoló ellenállások vannak beiktatva, a működés elvét nem elemezzük.) ábra. Meddő fogyasztás közvetlen mérése műkapcsolású, két mérőrendszeres meddőmérővel, háromvezetős hálózatban

129 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 12.oldal ábra. Két mérőrendszeres műkapcsolású meddő-mérő használata mérőváltókkal együtt Az aszimmetrikus feszültség és terhelés esetén is használható meddőteljesítmény- és fogyasztásmérési módszerekkel nem foglalkozunk Teljesítmény és fogyasztás mérése négyvezetős háromfázisú rendszerben Mérés szimmetrikus hálózatban A hatásos és a meddő teljesítmény a ábra szerinti kapcsolásban mérhető, a háromvezetős rendszerhez viszonyítva ( ábra) valamivel egyszerűbben, mivel mesterséges csillagpontot nem kell képezni. A meddő teljesítményt szintén műkapcsolásban mérhetjük. A teljesítmények számítása: P = 3P a, Q = 3 Q r

130 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 13.oldal ábra. Hatásos és meddő teljesítmény mérése szimmetrikus háromfázisú, négyvezetős hálózatban Ezeket a mérési módokat a kapcsolótáblába építhető műszerekben alkalmazzák Mérés aszimmetrikus hálózatban A hatásos teljesítmény mérése teljes aszimmetria esetén is megoldható három wattmérővel a ábra szerinti kapcsolásban. A háromfázisú teljesítmény a mért értékek összege: P = P R + P S + P T ábra. A háromfázisú teljesítmény mérése három wattmérővel, háromfázisú négyvezetős hálózatban, asszimetria esetén

131 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 14.oldal Speciális szerkezetű - kettős áramtekercsű - wattmérőkkel is mérhető a háromfázisú teljesítmény a ábra szerinti kapcsolásban. Egy-egy mérőműre két fázis áramának (gerjesztésének) különbsége hat, ezért áramkülönbség-kapcsolásnak nevezzük ezt a mérési módot. Alkalmazásának feltétele az, hogy a fázisfeszültségek vektoros összege nulla legyen: U R +U S +U T = 0 Ez a feltétel gyakorlatilag teljesül, ha a hálózaton nincs jelentős csillagponteltolódás, azaz a nullavezető impedanciája jóval kisebb, mint a fogyasztó impedanciája ábra. A háromfázisú hatásos teljesítmény mérése áramkülönbség-kapcsolásban, háromfázisú négyvezetős hálózatban, asszimetria esetén Az US feszültséget fejezzük ki a másik két fázisfeszültséggel: A háromfázisú teljesítmény: U S =- U R -U T Kiemelések után: S =U R * I R + U S * I S +U T * I T S =U R * I R -U R * I S -U T * I S + U T * I T S =U R * ( I R - I S )+( U T * ( I T - I S ) Az előző összefüggés a háromfázisú teljesítmény mérésének újabb lehetőségét jelzi: fázisfeszültségek mellett két vonali áram különbsége hasson a mérőművekben. Az áramok különbsége helyett kettős áramtekercsekkel a gerjesztések különbségét is képezhetjük. A hatásos teljesítmény számítása a mért teljesítményekből:

132 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 15.oldal P = P I + P II Szimmetrikus feszültségek esetén (a terhelés aszimmetrikus lehet) a meddő teljesítmény is mérhető áramkülönbség-kapcsolásban, ha - az átalakított Aron-kapcsoláshoz hasonlóan - a mérőművekre adott feszültségeket rendre elforgatjuk 90 -kal: az I mérőműre U R helyett az U ST, a II mérőműre U T helyett az U RS feszültséget kapcsoljuk ( ábra) ábra. A háromfázisú meddőteljesítmény mérése áramkülönbség-kapcsolásban háromfázisú, négyvezetős hálózatban, szimmetrikus feszültségek esetén A meddő teljesítmény számítása a mért értékekből: Q = 1 3 ( Q I +Q II ) Az áramkülönbség-kapcsolást többnyire két mérőrendszeres háromfázisú mérőművekben használják. A négyvezetős háromfázisú hálózatok kapcsolótáblába építhető teljesítménymérő műszerei ilyen kapcsolástechnikai megoldásúak. A feszültség szimmetriája esetén a háromvezetős rendszerben alkalmazott, háromwattmérős műkapcsolást is használhatjuk a meddő teljesítmény mérésére ( ábra). A háromfázisú hálózatok teljesítményeinek kényelmes, gyors mérésére alakították ki az un. mérőbőröndöt. A mérőbőrönd a következő fő egységekből épül fel: - Fázisonként egy-egy átkapcsolható áttételű áramváltó ( A méréshatár tartománnyal). - Két mérőrendszeres áramkülönbség kapcsolású teljesítménymérő műszer, amely hatásos vagy meddő teljesítmény mérési módba átkapcsolható, a feszültségtekercsek méréshatára is változtatható. - Fázisonként egy-egy ampermérő a vonali áramok mérésére. - Egy voltmérő, átkapcsolással a fázisfeszültségek és a vonali feszültségek mérésére. - Fázissorrend-jelző.

133 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 16.oldal A MULTIMES LILIPUT típusú mérőbőrönd alkalmazását a ábrán mutatjuk be, közvetlen mérési mód esetére. A mérőbőrönd külső mérőváltókkal is használható a ábra szerinti kapcsolásban ábra. A háromfázisú meddő teljesítmény mérése három wattmérővel műkapcsolásban, négyvezetős hálózatban, szimmetrikus feszültségek esetén ábra. A MULTIMES LILIPUT típusú mérőbőrönd alkalmazása közvetlen kapcsolásban K 1 áram-méréshatár váltás, K 2 a mért vonali feszültség kiválasztása, K 3 hatásos/meddő teljesítmény-mérési üzemmód válaszkapcsolója

134 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 17.oldal K 4 feszültség-méréshatár váltás, ábra. A MULTIMES LILIPUT mérőbőrönd használata mérőváltókkal együtt Négyvezetős hálózatokban három mérőrendszeres fogyasztásmérőket használunk mind a hatásos, mind a meddő fogyasztás mérésére. A hatásos fogyasztást esetleg három egyfázisú fogyasztásmérővel is mérhetjük. A ábra a hatásos fogyasztás közvetlen, a ábra ennek a mérőváltós mérési módját mutatja be ábra. Három mérőrendszeres háromfázisú hatásos fogyasztásmérő alkalmazása négyvezetős hálózatban

135 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 18.oldal ábra. A három mérőrendszeres hatásos fogyasztásmérő alkalmazása mérőváltókkal együtt A és a ábra a közvetlen illetve a mérőváltós, műkapcsolás meddő fogyasztásmérést ismerteti. A meddő fogyasztás mérésének egy másik kapcsolási megoldását a ábrán figyelhetjük meg. (Mind a feszültségtekercs, mind az áramtekercs körében fázistoló elemek vannak. A működés elemzésére nem térünk ki.) ábra. Háromfázisú meddő fogyasztás mérése három mérőrendszeres, műkapcsolású fogyasztásmérővel, négyvezetős hálózatban

136 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 19.oldal ábra. Három mérőrendszeres, műkapcsolású meddő fogyasztásmérő alkalmazása mérőváltókkal együtt ábra Három mérőrendszeres, speciális műkapcsolású meddő fogyasztásmérő alkalmazása mérőváltókkal együtt

137 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 20.oldal A fogyasztásmérők kapcsolásának sajátosságai Megfigyelhettük a fogyasztásmérők kapcsolását bemutató ábrákon, hogy a fogyasztásmérők kapcsainak jelölése és ezek funkciója egységes. Például az 1. és a 3. számú kapocs minden esetben az R fázis áramának be- illetve kilépő kapcsa, a 2. kapocshoz mindig az R fázis feszültsége csatlakozik. A fogyasztásmérőn belül - a gyártás során - alakítják ki azokat az összekötéseket, amelyek a mérő jellegét megszabják (pl. hatásos vagy meddő mérő). A fogyasztásmérők kapcsolása olyan, hogy hatásos fogyasztó illetve induktív meddő fogyasztó esetén forognak pozitív irányban. A termelt energia illetve a kapacitív meddő fogyasztás mérésére a ábra szerint csatlakozunk a fogyasztásmérőkhöz ábra. Fogyasztásmérők bekötése termelő és kapacitív meddő terhelés esetén

138 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 21.oldal Mérések háromfázisú egyenirányítók áramköreiben A háromfázisú egyenirányítók egyik változatának, a hídkapcsolású egyenirányítónak a kapcsolását és mérőköreit mutatjuk be a ábrán. Az egyenirányítót transzformátorról tápláljuk. Vezérelhető - tirisztorokat tartalmazó - egyenirányítót ábrázoltunk. Az egyenáramú oldalon Deprez-műszerekkel a feszültséget és az áramerősséget mérjük, oszcilloszkóppal a hullámformát vizsgáljuk. A váltakozóáramú jellemzőket a transzformátor primer oldalán mérjük. Az oszcilloszkóp jelföldje a transzformátor szekunder oldalának csillagpontjához csatlakozik, a CH1 csatornán a pozitív félhíd, a CH2 csatornán a negatív félhíd feszültségének hullámformája figyelhető meg ábra. Háromfázisú, hídkapcsolású vezérelt egyenirányító vizsgálata A háromfázisú egyenirányítók körében az egyfázisú egyenirányítóknál megismert mérési feladatokkal és mérési módszerekkel találkozunk (gyújtáskésleltetési szög, vezérlési jelleggörbe mérése stb.). A teljesítményviszonyokra itt is jellemző, hogy a gyújtáskésleltetési szög változása - még tiszta ellenállásterhelés esetén is - a teljesítménytényező változását vonja magával (a primer látszólagos teljesítmény nem egyenlő a hatásos teljesítménnyel) Mérések háromfázisú váltakozóáramú szaggatók áramköreiben A ábra egy háromfázisú váltakozóáramú szaggató kapcsolását és mérőköreit ábrázolja. A szaggató vezérelhető félvezető elemei ez esetben antiparallel kapcsolású tirisztorpárok. A szaggatót közvetlenül hálózatról tápláljuk, az áramkör nem földfüggetlen. A terhelés csillagpontja nincs összekötve a nullavezetővel (ellenkező esetben a nullavezetőn zömében 150 Hz-es összetevőt tartalmazó felharmonikus áramok folynának).

139 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 22.oldal ábra. Háromfázisú, váltakozóáramú szaggató vizsgálata A feszültségeket, áramokat teljesítményeket a hálózat felőli ágakba beiktatott műszerekkel mérhetjük. A terhelés egy fázisára jutó feszültség hullámformáját úgy vizsgálhatjuk, hogy ezt a feszültséget egy kis teljesítményű transzformátor (feszültségváltó) közvetítésével csatoljuk az oszcilloszkóp bemenetére. Ez azért szükséges, mert az áramkör egyik pontja sem nullapotenciálú, az oszcilloszkóp - nullavezetővel galvanikus kapcsolatban lévő - jelföldjét nem köthetjük közvetlenül a vizsgált áramkörhöz. A háromfázisú szaggatók vizsgálatakor az egyfázisú szaggatóknál megismert feladatokkal és jelenségekkel találkozhatunk Teljesítményviszonyok nemszínuszos áramú áramkörökben Mind az egyfázisú, mind a háromfázisú áramkörök kapcsán tárgyaltunk olyan eseteket, amely nemszinuszos áramú áramkörök mérésekor fellépő, a szinuszos körökétől eltérő jelenségekre hívták fel a figyelmet. A következőkben összefoglaljuk ezen körök mérési sajátosságait és elemezzük a teljesítményviszonyokat. A vizsgálataink, megállapításaink a következő feltételeket teljesítő háromfázisú áramkörökre érvényesek: - A hálózati feszültségek szimmetrikusak és terheletlenül szinuszos lefolyásúak. - A hálózat "merev" feszültségű, így a nemszinuszos (felharmonikustartalmú) áramok nem okoznak jelentős felharmonikus feszültségesést a hálózaton, azaz a nemszinuszos áramokkal terhelt hálózat feszültsége is szinuszos marad. - A nemszinuszos áramok szimmetrikusak, vagyis az áram hullámformája mindhárom fázisban azonos. A hatásos teljesítményre vonatkozóan a következő törvényszerűség érvényes: csak az azonos rendszámú harmonikusok (feszültségek és áramok) kölcsönhatásaként jön létre hatásos teljesítmény. Eszerint a hálózati 50 Hz frekvenciájú szinuszos feszültséggel csak az áram 50 Hz-es alapharmonikusa ad hatásos teljesítményt. Más megfogalmazásban ez úgy fejezhető ki: a szinuszos feszültségű hálózat alapharmonikus teljesítménye megegyezik a hatásos teljesítménnyel. Az 50 Hz-

140 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 23.oldal es szinuszos hálózati feszültség és az áram felharmonikusai pillanatnyi teljesítményeinek időbeli átlagértéke viszont nulla. A nemszinuszos áramú áramkörök műszerezésének kapcsolási jellegzetességei és a mért mennyiségek a következők: - Az effektívérték-mérő műszerek (pl. a lágyvasas műszerek) a hullámformától függetlenül az effektív értéket mérik, így a terhelés - általában nemszinuszos - feszültségét is helyesen mérhetjük velük, ezenfelül a nemszinuszos áram mérésére is alkalmazhatóak. - A wattmérők feszültségtekercsét a hálózati szinuszos feszültségre kapcsolhatjuk (azaz alapharmonikus teljesítményt mérünk velük), a hatásos teljesítmény ezzel a kapcsolással is helyesen mérhető. - A cosφ mérő feszültségágát a hálózati szinuszos feszültségre kell csatlakoztatnunk (az egyfázisú cosφ mérő esetén ez hangsúlyozottan érvényes), ez esetben a műszer az áram alapharmonikus összetevője fázisszögének (ill. a fázisszög koszinuszának) mérésére ad lehetőséget. A mennyiségi összefüggésekben a következő jelöléseket alkalmaztuk: U: a hálózat vonali feszültségének effektív értéke (mivel szinuszos feszültséget feltételezünk, nemcsak effektívérték-mérő műszerrel mérhető). I: a hálózat nemszinuszos terhelőáramának effektív értéke (csak effektívérték-mérő műszerekkel mérhetjük). I 1 : a hálózat terhelőárama alapharmonikus összetevője (a mért értékekből számítható). I 2,I 3,...I n : a hálózat terhelőáramának felharmonikusai. P: a hatásos teljesítmény, ez egyben az alapharmonikus hatásos teljesítménnyel is megegyezik (wattmérőkkel mérhető). cosj1 : az alapharmonikus teljesítménytényezője (cosφ mérővel mérhető). S: a látszólagos teljesítmény (a mért értékekből számítható). S 1 : az alapharmonikus látszólagos teljesítménye (a mért értékekből számítható). Q 1 : az alapharmonikus meddő teljesítmény (a mért értékekből számítható). D: a torzítási teljesítmény (a mért értékekből számítható). l : a teljesítménytényező (a mért értékekből számítható, általában nem egyenlő λcosφ 1 -el). A mennyiségi összefüggéseket háromfázisú terhelésre vonatkozóan adjuk meg. Ezek értelemszerűen egyfázisú terhelésre is érvényesek, de ez esetben a látszólagos teljesítményt a fázisfeszültség és az áramerősség szorzata adja ( S =U f I ). A látszólagos teljesítmény: S = 3U I A teljesítménytényező és kapcsolata I1-el illetve cosφ-el: Az alapharmonikus áram: λ= P S = 3U I cosφ 1 = I 1 3U I I cosφ I 1 = I λ cosφ 1 Az alapharmonikus látszólagos teljesítmény:

141 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 24.oldal S 1 = 3U I 1 = 3U I λ cosφ 1 Az alapharmonikus meddő teljesítmény: Q 1 = S 1 sinφ 1 = S P 2 A torzítási teljesítmény értelmezése, a teljesítmények közötti kapcsolatok: S 2 =( 3 U I ) 2 =3 U 2 I 2 = 3U 2 ( I I I I n 2 ) S 2 =3U 2 I U 2 ( I I I 1 n )= S D 2 = P 2 +Q 2 + D 2 D = 3U I I I n 2 = S 2 - P 2 -Q 2 Ellenőrző kérdések 1. Megállapodásszerűen milyen előjelű a termelt és a fogyasztott hatásos teljesítmény, az induktív és a kapacitív meddő teljesítmény? 2. Mi a meddő teljesítmény mérésének elve? Mit nevezünk műkapcsolásnak? 3. A kapcsolótábla-műszerekben milyen kapcsolási megoldásokat használunk a hatásos és a meddő teljesítmény mérésére háromvezetős hálózatokban illetve négyvezetős hálózatokban? 4. Milyen felépítésű eszköz a mérőbőrönd, milyen mennyiségek mérhetők vele? 5. Két wattmérővel hogyan, milyen feltételek mellett mérhetünk háromfázisú hatásos és meddő teljesítményt? 6. Milyen hasonlóság van a teljesítménymérés és a fogyasztásmérés kapcsolási megoldásai között? 7. Mi jellemzi a fogyasztásmérők kapcsainak funkcióját és jelölését? 8. Termelt energia, kapacitív meddő fogyasztás esetén hogyan kötjük be a fogyasztásmérőt? 9. Nemszinuszos áramú áramkörökben milyen mérési tulajdonságokat mutat a wattmérő és a cosφ mérő? Hogyan értelmezzük ez esetben a teljesítménytényezőt és a torzítási teljesítményt?

142 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 11. Mérőhidak A mérőhidak a villamos méréstechnika gyakran használt áramkörei. Tipikus alkalmazási területeik: - ellenállásmérés, impedanciamérés; - nemvillamos mennyiségek mérése; - frekvenciamérés, oszcillátorok. A egyenáramú és váltakozóáramú mérőhidak egyaránt léteznek. A mérőhidak típusait a teljesség igénye nélkül felsorolva: - Wheatstone-típusú hidak; - Thomson-típusú (kettős) hidak; - Anderson-típusú hidak; - Áthidalt T és kettős T mérőhidak; - Áramkomparátoros és aránytranszformátoros hidak. Az előzőek közül a Wheatstone-típusú, a Thomson-típusú és az áramkomparátoros hidakkal foglalkozunk részletesebben, főleg az ellenállás- és impedanciamérési alkalmazásaikkal Wheatstone-típusú hidak A Wheatstone-típusú hidak tulajdonságait váltakozóáramú híd esetére elemezzük. A törvényszerűségek értelemszerűen érvényesek egyenáramú hidakra is Kapcsolás, kiegyenlítési feltétel A Wheatstone-típusú híd négy impedanciája zárt hurokban kapcsolódik össze, a szemközti csomópontokra csatlakozik a híd tápfeszültségforrása illetve a híd kimenő feszültségét érzékelő műszer, a hídindikátor ( ábra). Kiegyenlített a híd, ha kimenő feszültsége nulla (U ki = 0). A BCD hurokra felírva a huroktörvényt: Kiegyenlített híd esetén U ki = 0, ezért U ki +U 2 - U 4 = 0 U 2 = U 4

143 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal Kiegyenlített állapotban I ki = 0, a híd Z 1 - Z 2 ága és a Z 3 - Z 4 ága egyaránt terheletlen feszültségosztót képez, az U 2 illetve az U 4 feszültség az feszültségosztó képlettel határozható meg. U k Z 2 Z 1 + Z 2 =U k Z 4 Z 3 + Z ábra. A Wheatstone típusú híd feszültség viszonyai U k -val egyszerűsítve és az egyenlet reciprokát képezve: Z 2 Z 1 + Z 2 = Z 4 Z 3 + Z 4 Az egyenlet baloldalán Z 2 -vel, jobboldalán Z 4 -el elvégezhetjük az osztást: Z 1 Z 2 +1= Z 3 Z 4 +1

144 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal A híd kiegyenlítési feltételének a végső formái: Z 1 Z 2 = Z 3 Z 4 vagy Z 1 Z 4 = Z 2 Z 3 Az utóbbi egyenlet szavakban úgy írható le, hogy a kiegyenlített híd keresztágban lévő impedanciáinak szorzata egyenlő. A híd kiegyenlítési feltétele független a hidat tápláló generátor U g tápfeszültségétől, a generátor Z g és a kimenő feszültséget érzékelő hídindikátor Z b belső impedanciájától. A hídindikátor megfelelő érzékenységű és nullahibától mentes legyen, de nem szükséges erre kalibrált (hiteles) műszert használnunk. A levezetést mellőzve belátható, hogy a híd kiegyenlítési feltétele nem változik meg akkor, ha a híd tápfeszültsége és a hídindikátor csatlakozási pontjait felcseréljük, azaz a ábra szerinti hídban a tápfeszültséget a B és D csomópontokra, a hídindikátort az A és C csomópontokra csatlakoztatjuk. A keresztágban lévő impedanciák ekkor is a Z 1 és Z 4 illetve a Z 2 és Z 3 lesznek. A kiegyenlítési feltételek akkor is változatlanok, ha keresztágban levő két impedancia helyét megcseréljük, például a Z 1 helyére a Z 4 és a Z 4 helyére a Z 1 kerül. A híd kiegyenlítési feltétele komplex egyenlet, ez két valós egyenletre bontható. Két komplex szám csak akkor lehet egyenlő, ha külön a valós részek és külön a képzetes részek is egyenlőek. Ennek megfelelően a két valós egyenlet a következő: Re{ Z 1 Z 4 }=Re{ Z 3 Z 3 } Im{ Z 1 Z 4 }=Im{ Z 3 Z 3 } A kiegyenlítési feltételt Euler alakban megfogalmazva: Z 1 e jφ 1 Z 4 e jφ 4 = Z 2 e jφ 2 Z 3 e jφ 3 Elvégezve a szorzást: Z 1 Z 4 e j ( φ 1+φ ) 4 = Z 2 Z 3 e j ( φ 2+ φ 3 ) Ebből az alakból származtatható valós egyenletek: Z 1 Z 4 = Z 2 Z 3 (amplitúdófeltétel) φ 1 + φ 4 =φ 2 + φ 3 (fázisfeltétel)

145 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal Létezik néhány hídkapcsolás, amelyben a híd négy ága közül kettőben csak ohmos ellenállás szerepel. Az ellenállások lehetnek a híd keresztágában ( a) ábra) vagy egymás szomszédságában ( b) ábra). A fázisfeltételt vizsgálva meghatározhatjuk, hogy ezen esetekben milyen impedanciaviszonyok mellett kaphatunk kiegyenlíthető hidat ábra Két hídágban ellenállást tartalmazó kiegyenlíthet hidak A a) ábra szerinti kapcsolásban az R 2 és R 3 ellenállás φ 2 illetve φ 3 fázisszöge nulla. A fázisfeltétel ebben az esetben: φ 1 + φ 4 =0, φ 1 =-φ 4 Ilyen felépítésű híd csak akkor lesz kiegyenlíthető, ha Z 1 és Z 4 ellentétes jellegű impedancia. Ha pl. Z 1 induktív, akkor Z 4 -nek kapacitívnak kell lennie. A b) ábra szerinti kapcsolásban az R 3 és az R 4 ellenállás φ 3 illetve φ 4 fázisszöge lesz nulla, a fázisfeltétel ez esetben így alakul: φ 1 = φ 2 Kiegyenlíthető hidat csak akkor kaphatunk, ha Z 1 és Z 2 azonos jellegű impedancia, pl. mindkettő kapacitív. A hidak alkalmazási módja: Mérés nullmódszerrel. Impedanciamérésre használjuk ezt az módot. A mérendő impedancia

146 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal legyen pl. a Z 1. A Z 2...Z 4 kalibrált (ismert értékű) impedanciák, közülük legalább egyik változtatható. A változtatható impedanciával a hidat kiegyenlítjük, a kiegyenlített állapot jellemzőiből az ismeretlen impedancia számítható: Z 1 = Z 2 Z 3 Z 4 Mérés kitéréses módszerrel. Kismértékű impedanciaváltozás mérésére alkalmas ez a mód. Legyen a Z 1 impedancia az, amelynek értéke az alapállapothoz viszonyítva változik. Z 1 alapállapotában kiegyenlítjük a hidat, ha ehhez viszonyítva Z 1 értéke megváltozik, a híd kimenőfeszültsége nullától eltérő lesz. A híd kimenő feszültsége nemcsak a Z 1 impedancia megváltozásától függ, hanem a híd számos jellemzőjétől. A nullmódszertől eltérően ez esetben kalibrált hídindikátorra és stabil tápfeszültségre van szükségünk. A kitéréses mérés a nemvillamos mennyiségek villamos úton történő mérésének egyik fontos módszere. A híd változó impedanciájú elemét olyan mérőátalakító képezi, amelynek ellenállása, induktivitása vagy kapacitása a mérendő nemvillamos mennyiség hatására megváltozik. Az impedanciaváltozás és a híd kimenőfeszültsége között egyértelmű a kapcsolat, a hídindikátor közvetlenül a mérendő nemvillamos mennyiségre skálázható. A kitéréses módszert alkalmazzuk általában a toleranciahidakban is, amelyek pl. tömeggyártású alkatrészek ellenőrzésében, válogatásában használhatók Hídérzékenység A mérőhidak érzékenységét jellemezhetjük pl. azzal, hogy 1% kiegyenlítetlenség hatására a tápfeszültség hány százaléka jelenik meg a hídindikátoron. A nullmódszer és a kitéréses módszer esetében egyaránt előnyös nagy érzékenységű híd használata. A nullmódszerrel történő impedanciaméréskor az érzékeny híd azzal az előnnyel jár, hogy a kiegyenlítést szolgáló (változtatható) impedancia kismértékű változása a híd kimenőfeszültségének erőteljes változását vonja magával, segítve a híd finom kiegyenlítését és ezzel a pontos mérést. Nemvillamos mennyiségek hídban, kitéréses módszerrel való mérésekor a lehető legnagyobb hídérzékenység a mérőátalakítóval még egyáltalán mérhető legkisebb értéket csökkentheti, ezenfelül kedvező hatású a mérés zavarvédelme szempontjából is (nagyobb a jel, kisebb lesz a jel/zaj viszony). Az érzékenység és a híd jellemzői közötti kapcsolatok felderítést a ábra segítségével végezzük el. Feltételezzük azt, hogy a híd a Z 1, Z 2, Z 3 és Z 4 impedancia értékekkel kiegyenlített. Ekkor U 2 és U 4 egyenlő, a híd U ki kimenőfeszültsége pedig nulla. U 4 -U 2 =0

147 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal ábra Kiegyenlítetlen Wheatstone típusú híd Változzon meg Z 1 értéke ΔZ 1 -el. Ennek következtében a Z 2 impedancián a feszültségesés is változik ΔU 2 -vel, az U 4 feszültségesés viszont változatlan, emiatt a kimenő feszültség nullától eltérő lesz. Az előző egyenletet is felhasználva a kimenő feszültségre a következőt kapjuk: U ki =U 4 -( U 2 +ΔU 2 )=U 4 -U 2 - ΔU 2 =- ΔU 2 A híd kimenő feszültsége tehát a Z 2 impedancia feszültségesése megváltozásával egyenlő nagyságú (de azzal ellentétes előjelű, fázishelyzetű). Végtelen nagy belső impedanciájú hídindikátort feltételezünk, ekkor kiegyenlítetlen híd esetén is terheletlen feszültségosztóknak tekinthetjük a hídágakat. Az előző megállapításra is alapozva határozzuk meg a kimenő feszültség és az impedanciaváltozás közötti kapcsolatot. U ki =- ΔU 2 =U k ( Z 2 Z 1 + Z 2 - Z 2 Z 1 + Δ Z 1 + Z 2 ) A kimenő feszültség nemlineáris függvénye a ΔZ 1 impedanciaváltozásnak (ΔZ 1 az egyenlet nevezőjében szerepel). Vizsgáljuk meg, hogy kicsi ΔZ 1 / Z 1 relatív impedanciaváltozás hogyan hat a a híd kimenő feszültségére. U ki =- U 2 Z 1 Δ Z 1 A impedancia feszültségesését fejezzük ki a feszültségosztó képlettel, végezzük el a parciális deriválást:

148 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal U ki =- Z ( U 2 Z k ) Δ Z 1 Z 1 + Z 1 =- ( U 2 Z k Z 2 ( Z 1 + Z 2 ) -1 ) Δ Z 1 1 A számlálót és a nevezőt is osszuk el Z 12 -el: U ki =U k Z 2 ( Z 1 + Z 2 ) 2 Δ Z 1 U ki =U k Z 2 Z 1 ( Z 1 + Z 2 Z 1 ) 2 Δ Z 1 =U Z k 1 Z 2 Z 1 ( 1+ Z 2 Z 1 ) 2 Δ Z 1 Z 1 A Z 2 / Z 1 arány a hídáttétel, ezt F 0 -al jelöljük. F 0 helyettesítéssel egyenletünk így alakul: F 0 = Z 2 Z 1 F U ki =U 0 Δ Z 1 k ( 1+ F 0 ) 2 Z 1 A híd kimenőfeszültsége arányos a hídra jutó U k tápfeszültséggel, a Z 1 impedancia relatív változásával és függ a hídáttételtől is. Kicsi ΔZ 1 / Z 1 relatív impedanciaváltozás esetén lineáris függvénykapcsolat van az impedanciaváltozás és a kimenő feszültség között. Az egyenletünket átrendezve: U ki U k ΔZ 1 Z 1 F 0 = ( 1+F 0 ) = H 2 Az előbbi egyenlet épp a keresett összefüggést fejezi ki. Az egyenlet baloldalán a számlálóban a híd kimenő feszültségének a tápfeszültséghez viszonyított aránya, a nevezőben a kiegyenlítetlenséget okozó impedancia relatív változása szerepel. E két relatív érték hányadosa csak a hídáttételtől függ, ezt a híd kapcsolási érzékenységének nevezzük, H -val jelöljük. Az F 0 hídáttétel és a H kapcsolási érzékenység általános esetben komplex mennyiség. A hídáttétel a hídindikátor valamelyik kapcsához csatlakozó szomszédos impedanciák hányadosa. Például a b.) ábra lévő híd áttétele - a híd kiegyenlítési feltételét is figyelembe véve - a következő hányadosok bármelyikével megadható:

149 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 8.oldal F 0 = Z 2 Z 1 = R 4 R 3 A szóbanforgó híd áttétele tehát valós. Ha viszont ebben a hídban megcseréljük a tápfeszültség és a hídindikátor csatlakoztatását, a kiegyenlítési feltétel nem változik, a hídáttétel viszont igen. Az A és C csomópontba csatlakozó hídindikátor esetén a hídáttétel a következő lesz: F 0 = Z 1 R 3 = Z 2 R 4 E módosítás hatására a hídáttétel komplexszé válik, a híd kapcsolási érzékenysége is változik. Összefoglalva a tápfeszültség és a hídindikátor csatlakoztatása cseréjének hatását: a híd kiegyenlítési feltétele nem változik, az érzékenysége viszont igen. A híd kapcsolási érzékenysége a hídáttétel függvénye. Mindeddig nyitott kérdés, hogy mely hídáttételnél kapjuk a lehető legnagyobb kapcsolási érzékenységet és ez mekkora. A kérdést szélsőérték-vizsgálattal dönthetjük el, a bizonyítás mellőzésével csak a végkövetkeztetéseket foglaljuk össze: A legnagyobb kapcsolási érzékenységet akkor érhetjük el, ha a hídáttétel abszolút értéke egységnyi, azaz F 0 = 1 A kapcsolási érzékenység maximális értéke valós és egységnyi hídáttétel esetén: H max = 1 4 A kapcsolási érzékenység maximális értéke képzetes és egységnyi abszolút értékű hídáttétel esetén: H max = 1 2 A hídérzékenység tárgyalásának bevezető kérdésére megadhatjuk a választ: a lehető legnagyobb érzékenységű híd esetén 1% kiegyenlítetlenség hatására valós áttételű hídban a tápfeszültség 0,25 %-a (azaz az 1 % egynegyede), képzetes áttételű hídban a tápfeszültség 0,5 %-a jelenik meg a hídindikátoron. A képzetes áttételű híd érzékenysége nagyobb. Valós hídáttétel esetére a hídáttétel és a kapcsolási érzékenység néhány összetartozó értékét a következő táblázat tartalmazza. F H 0,25 0,19 0,08 0,03 0,01 H/H max 100 [%] ,5 3,9

150 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 9.oldal Áramkomparátoros és aránytranszformátoros hidak Az áramkomparátoros és az aránytranszformátoros hidak egyik építőeleme egy (speciális) transzformátor, ebből fakadóan ezek csak váltakozóáramon működnek. Az áramkomparátoros impedanciamérő híd elvét a ábra mutatja be ábra. Impedanciamérés áramkomparátorral A mérendő Z x impedancia I x árama és az ismert módon változtatható Z N impedancia I N árama ellentétes irányú gerjesztést hoz létre az N x illetve az N N tekercsrészben. A tekercsek menetszámának illetve a Z N impedanciának változtatásával elérhető, hogy az eredő gerjesztés nulla legyen, ez a híd kiegyenlített állapota. I Z N Z = I N N N Ha az eredő gerjesztés nulla, akkor a transzformátor fluxusa is nulla, a tekercseiben nem indukálódik feszültség. A kiegyenlített állapotot az N i szekunder tekercsre csatlakozó nullindikátorral érzékelhetjük. Ha az N x és az N N tekercsrész indukált feszültsége egyaránt nulla, akkor az A, B és C csomópontok azonos potenciálú pontok, akár rövidrezárhatjuk ezeket anélkül, hogy a híd I x és I N árama megváltozna. I x = U g Z x (mivel U AB = 0 ) I N = U g Z N (mivel U BC = 0 )

151 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 10.oldal A híd kiegyenlítési feltételének egyenletébe az előzőeket behelyettesítve, majd rendezve az egyenletet: U g Z x N x = U g Z N N N Z N N x = Z x N N Z x = Z N N x N N A Z x és a Z N impedancia fázisszöge meg kell hogy egyezzék. A híd kiegyenlítésekor az amplitudófeltételt az N x menetszám változtatásával, a fázisfeltételt a Z N impedancia fázisszögének változtatásával teljesíthetjük. Az áramkomparátoros hidak kedvező tulajdonsága, hogy kiegyenlített állapotban a transzformátor tekercseinek szórt kapacitása nem befolyásolja a híd működését ábra. Impedanciamérés aránytranszformátorral A tápfeszültség és a hídindikátor csatlakoztatásának ábra szerinti felcserélésével jutunk az aránytranszformátoros híd elvéhez. Ebben a transzformátor működése és szerepe eltérő az áramkomparátorhoz viszonyítva: a transzformátor tekercseiben a híd kiegyenlített állapotában is indukálódik feszültség, az N x menetszám változtatásával az U AB és az U AC feszültség arányát tudjuk változtatni. A kiegyenlített híd nullindikátorára jutó U i feszültség nulla. A kiegyenlítési feltételt a transzformátor szekunder oldalának áramkörére felírt két hurokegyenletből lehet meghatározni. Az aránytranszformátoros híd kiegyenlítési feltétele megegyezik az áramkomparátoros hídéval (ennek bizonyítását mellőzzük).

152 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 11.oldal Egyenáramú és váltakozóáramú hidak építőelemei Az ellenállásmérésre, impedanciamérésre szolgáló hidak mérési pontossága döntő mértékben a híd ismert (fix vagy változtatható értékű) impedanciáinak pontosságától függ, de befolyásolja hídindikátor (nullindikátor) érzékenysége is. Ideális áramköri elemek nem készíthetőek, a jelenlévő parazita impedanciák (pl. a szigetelés ellenállása, a huzalozás induktivitása és szórt kapacitása stb.) főleg váltakozóáramon éreztetik a hatásukat. Az építőelemek hozzávetőleges pontossági rangsora: Fix értékű (normál) ellenállás. Fix értékű (gázszigetelésű normál) kondenzátor. Változtatható (dekád-) ellenállás. Változtatható légszigetelésű (forgó-) kondenzátor. Fix értékű szilárd szigetelésű kondenzátor. Változtatható szilárd szigetelésű (dekád) kondenzátor. Induktivitás. A fix értékű normálellenállások kis hőmérsékleti együtthatójú fémhuzalból (pl. konstantán, maganin) készülnek, az indukciószegény kivitel érdekében bifiláris tekercseléssel. A dekádellenállások ugyanilyen részegységekből épülnek fel, de a huzalozás miatt a parazita impedanciáik nagyobbak, a dekádkapcsolók az ellenállás értékének bizonytalanságát növelik. Pontos - de költséges - mérőeszköz az állandó hőmérsékletre és nyomásra szabályozott gáztöltésű normálkondenzátor, ilyent főleg nagyfeszültségű precízíós mérésekre használnak. A folyamatosan változtatható kapacitású légszigetelésű kondenzátorok (változtatható felületű vagy távolságú fegyverzetekkel) viszonylag pontos eszközök, de kapacitásuk legfeljebb nf nagyságrendű. Mindkét előző típus gyakorlatilag veszteségmentes. A nagyobb kapacitású fix értékű kondenzátorokat és a dekádkondenzátorokat általában az elektronikai célra készülő szilárd dielektrikumú, tömeggyártású kondenzátorsorozatból vett elemekből válogatják és állítják össze. Ezek vesztesége és a tekercselt fóliakondenzátorok parazita induktivitása már esetenként befolyásolhatja a mérést. A pontosságot rontja a dielektrikumok relatív permittivitásának hőmérsékletfüggése. Megfelelő pontosságú (fix vagy változtatható) induktivitás készítése igen nehéz, emiatt a váltakozóáramú hidak ismert értékű elemei általában ellenállások és kondenzátorok. Az áramkomparátoros és az aránytranszformátoros hidak transzformátorainál alapkövetelmény az igen szoros csatolás az egyes tekercsek között (minimális szórt fluxus, kicsi "drop") valamint a külső mágneses térre való érzéketlenség. A követelmények megfelelő mágneskörrel és konstrukcióval teljesíthetőek (pl. toroid vasmag, mágneses árnyékolás stb.) Az egyenáramú ellenállásmérő hidak nullindikátora rendszerint egy galvanométer. A galvanométer egy nagy érzékenységű, középállású Deprez műszer. Váltakozóáramú hidak nullindikátoraként analóg műszerek alkalmazása ajánlatos. Legelőnyösebb a szelektív váltakozófeszültség-mérő használata, különösen akkor, ha a híd tápfeszültsége nem torzítatlan váltakozófeszültség vagy ha a hídban nemlineáris elemet (pl. vasmagos fojtótekercset) mérünk.

153 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 12.oldal Analóg oszcilloszkóp is megfelel nullindikátorként. Kedvező megoldás az, ha az oszcilloszkópot X- Y módban használjuk, a vízszintes eltérítésre a híd tápfeszültségét, a függőleges eltérítésre az indikátorág feszültségét kapcsoljuk. A megjelenő Lissajous ábra az indikátorág feszültségének fázishelyzetére vonatkozó információt is ad, segítve ezzel a híd gyors kigyenlítését Ellenállásmérő hidak Az ellenállásmérő hidak általában egyenáramú táplálásúak. Nemvillamos mennyiségek ellenállásos mérőátalakítói esetében néha váltakozóárammal tápláljuk a hidat akkor, ha a híd kiegyenlítetlensége és emiatt a kimenő feszültsége igen kicsi (pl. nyúlásmérő bélyeges mérőátalakítóknál), mivel a váltakozóáramú erősítők az egyenáramú hibafeszültségre és ennek hőmérsékletfüggésére érzéketlenek. Az ellenállás - parazita impedanciákat magába foglaló - helyettesítő képét a ábrán tartalmazza (a parazita impedanciákat vékonyabb vonallal ábrázoltuk). Az ellenállás parazita kapacitása és induktivitása csak a nagyobb frekvenciákon érezteti hatását, az egyenáramon nincs hatásuk ábra Ellenállás helyettesítő képe W-heatstone híd A laboratóriumi Wheatstone híd kapcsolását a ábrán mutatjuk be. A híd a és b jelű ellenállásai tíz hatványai szerint dugaszolással változtathatók (pl. 10 Ω, 100 Ω, 1000 Ω... a rajtuk beállítható érték), ezekkel az ellenállás mérési tartománya állítható be. Az R ellenállás helyiértékű dekádellenállás, a híd kiegyenlítése ezzel történik. A híd kiegyenlítési feltétele:

154 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 13.oldal ábra A laboratóriumi Wheatstone híd kapcsolása R x b= R a A mérendő ellenállásra rendezve a következőt kapjuk: R x = a b R A hídáttétel F 0 = a/r x, a legnagyobb érzékenységet akkor kapjuk, ha az a ellenállás értéke a lehető legkevésbé tér el a mérendő R x -étől. Az a megfelelő megválasztásával a hídáttétel nem lesz nagyobb 10 = 3,16-nál, a híd kapcsolási érzékenysége eléri a maximális érték 73 %-át. A b ellenállás megválasztásának szempontja az, hogy kiegyenlített hídnál az R ellenálláson legalább négy helyiértéken nullától eltérő számjegy álljon. A laboratóriumi Wheatstone híddal mérhető legnagyobb ellenállás 1 MΩ (e felett a híd érzékenysége már jelentősen csökken), a legkisebb ellenállás 1 Ω (ez alatt a mérővezetékek ellenállása torzítja a mért értéket). A híddal elérhető mérési pontosság a legkedvezőbb esetben 0,2...0,3 %. A csúszóhuzalos Wheatstone híd gyors és kevésbé pontos ellenállásmérésre alkalmas, kapcsolása a ábrán szerepel. A híd beépített nullindikátor galvanométert tartalmaz, tápfeszültségét galvánelemmel biztosítjuk (ez a hídban kiképzett teleptartóban helyezhető el). A dugaszolással 10 hatványai szerint beállítható R 2 ellenállás ad lehetőséget a méréshatár váltására, ezt a mérendő ellenállás nagyságrendjével egyező értékűre választjuk. A híd kiegyenlítése csúszóhuzalpotenciométerrel történik, ennek csúszkája R 3 és R 4 jelű részellenállásokra osztja csúszóhuzalt. A híd kiegyenlítési feltételéből a mérendő ellenállás:

155 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 14.oldal R x = R 2 R 3 R ábra. A Csúszóhuzalos Wheatstone híd A csúszóhuzal-potenciométert az R 3 /R 4 arányra skálázzák, ezt R 2 -vel szorozva megkapjuk a mért ellenállás értékét Thomson híd Thomson híd 1 Ω-nál kisebb ellenállások mérésére szolgál, amikor a mérővezetékek ellenállása és a bontható (csavaros) csatlakozások átmeneti ellenállása (a parazita ellenállások) eredője már a mérendő ellenállással összemérhető nagyságú, emiatt a Wheatstone híd használata elfogadhatatlan nagyságú mérési hibát eredményezne ábra Kis ellenállás Wheatstone híddal való mérésének problémája

156 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 15.oldal Az érintkezések átmeneti ellenállásának hatása részben kiküszöbölhető a mérendő ellenállás négyvezetékes bekötésével, azaz az áram hozzávezetés és a feszültségesés érzékelés kapcsainak elkülönítésével. (A négyvezetékes bekötés más hídkapcsolásokban is használatos, az egyenáramú söntöket is ilyen konstrukció jellemzi.) A ábra segítségével a négyvezetékes bekötésű (kis) ellenállás Wheatstone hídban való mérésének problémáját elemezzük. A vastag vonallal rajzolt hurok eredő ellenállása kicsi, az ebben folyó mérőáram nagy, a parazita ellenállások hatása jelentős. Az ábrán a parazita ellenállásokat - az ideális esetben ellenállásmentes - huzalozással párhuzamosan rajzolva, kisméretű ellenállásokkal és szaggatott vonallal jelöltük. Azzal, hogy a mérendő R x ellenállás U 1 kapcsához csatlakoztatjuk a híd R 3 ellenállását, az I 1 árambevezető kapocs átmeneti ellenállásának hatását kiküszöbölhetjük. Az R 5 parazita ellenállás mindenképpen mérési hibát okoz: a galvanométert az a) változat szerint csatlakoztatva az R 5 parazita ellenállás az R 2 ellenálláshoz adódik hozzá, a b) változatban viszont az R x -hez. A négyvezetékes bekötés tehát önmagában nem oldja meg a kis ellenállás mérésének problémáját ábra. A Thomson híd elvi kapcsolása Vizsgáljuk meg azt, hogy az R 5 parazita ellenállás hatása kiküszöbölhető volna-e azzal, ha a galvanométert - a ábra szerinti kapcsolásban - a fiktív B 2 és a valóságos D csomópontba csatlakoztatnánk. A B 2 csomópont az R 5 parazita ellenállást megosztja R 5a és R 5b részellenállásokra, az R 5a az R x -hez, az R 5b az R 2 -höz adódik hozzá. Az A - B 2 - C - D hurokban lévő ellenállásokból álló híd kiegyenlítési feltétele: ( R x + R 5a )R 4 =( R 2 + R 5b ) R 3 Szorzás és rendezés után a következő egyenlethez jutunk: R x R 4 = R 2 R 3 +( R 5b R 3 - R 5a R4 ) A parazita ellenállás akkor nem okoz mérési hibát, ha az előző egyenlet jobb oldalán zárójelben szereplő összeg nulla.

157 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 16.oldal R 5b R 3 - R 5a R 4 = 0 R 5b R 3 = R 5a R 4 R 3 R 4 = R 5a R 5b A parazita ellenállást alkotó elemek vonalán kitapogatni az előző feltételnek megfelelő B 2 csomópontot a valóságban megoldhatatlan. Azt viszont megtehetjük, hogy az R ' 3 és R ' 4 ellenállásokból kialakítunk egy feszültségosztót, amely ellenállásainak aránya megegyezik az R 5a és R 5b arányával. R 3 ' R 4 ' = R 5a R 5b Ekkor az R 5a, R 5b, R ' 3 és R ' 4 ellenállásokból álló belső híd is kiegyenlített lesz, a B 1 és a B 2 csomópont azonos potenciálú, a galvanométert a - valóságos - B 1 csomóponthoz csatlakoztathatjuk. Az előző két egyenlet jobb oldala azonos, ebből következik: R 3 ' R 4 ' = R 3 R 4 vagy ' ' R 3 R 3 = R 4 R 4 Ezt a feltételt legegyszerűbben úgy teljesíthetjük, hogy R ' 3 = R 3 illetve R ' 4 = R 4 és együtt változtatjuk ezeket a kiegyenlítés során. Ekkor a híd kiegyenlítési feltétele a Wheatstone hídéval megegyezik. R x = R 2 R 3 R 4 A laboratóriumi Thomson híd kapcsolása ábra szerinti. (A parazita ellenállásokat ezen az ábrán már nem tüntettük fel.) Az N 1 ellenállás dugaszolással változtatható, 1 mω-tól 1 Ω-ig. A hídáttétel az R x /N 1 aránnyal egyenlő, a lehető legnagyobb érzékenység érdekében N 1 -et a mérendő R x nagyságrendjébe esően válasszuk meg. Az a ellenállás-párost dugaszolással együtt kell változtatnunk, az R ellenállás-páros együttfutó dekádellenállásokból áll, ezzel történik a híd kiegyenlítése. A híd kiegyenlítési feltétele (a ábra jelöléseivel): R x = R N 1 a A híd betáplálási kapcsain érzékelhető eredő ellenállása igen kicsi lehet, ha például 1 mω-os ellenállást mérünk és ehhez N 1 -et 1 mω-ra választjuk, a híd eredő ellenállása kb. 2 mω lesz. Viszonylag nagy (esetenként 10 A-t meghaladó) áramerősséget kell létrehozni az Rx - N 1 ágon, hogy a híd érzékenysége kielégítő legyen. A híd táplálására akkumulátort vagy egyenáramú

158 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 17.oldal tápegységet használhatunk, a mérőáram beállítására az R e áramkorlátozó ellenállás szolgál. A laboratóriumi Thomson híddal mérhető legkisebb ellenállás 10 µω körül van, a híd pontossága legkedvezőbb esetben 0,5 %-nál jobb lehet ábra Laboratóriumi Thomson híd ábra Csúszóhuzalos Thomson híd

159 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 18.oldal A csúszóhuzalos Thomson híd kis ellenállások gyors de kevésbé pontos mérésére használható ( ábra). A mérendő ellenállás ez esetben is négy vezetékkel csatlakozik a hídhoz. A mérési tartomány dugaszolással változtatható ellenállással állíthatjuk be. A híd kiegyenlítése kettős (együttfutó) csúszóhuzal-potenciométerrel történik. A híd A mérőáramot kíván, ezt külső tápegységnek vagy akkumulátornak kell szolgáltatnia, áramkorlátozó ellenállásra itt is szükség van. A kis ellenállások mérésekor a parazita ellenállások mellett a parazita hőelemek is mérési hibát okozhatnak. A híd áramköreiben különböző anyagú fémek (pl. a konstantán normálellenállások, a sárgaréz csatlakozó kapcsok, a vörösréz mérővezetékek stb.) csatlakozásain termofeszültségek keletkeznek. Ha valamennyi csatlakozási pont azonos hőmérsékletű, a termofeszültségek eredője mindegyik áramköri hurokban nulla, így nem okoznak zavart. A Thomson híd nagy mérőáramokat kíván, emiatt egyes csatlakozási pontok túlmelegedhetnek, ekkor viszont a termofeszültségek egyensúlya felborul, mérési hibát okoznak. A termofeszültségek hatását mérsékelhetjük, ha a híd nagyáramú ágában igen gondos csatlakozásokat készítünk; a mérést fordított polaritású tápfeszültséggel is elvégezzük és a két mérés eredményének átlagát képezzük Induktivitásmérő hidak A légmagos és a vasmagos induktivitás helyettesítő képét a ábra mutatja be. Az R t soros ellenállás a tekercselés ellenállását, a C p párhuzamos kapacitás a végpontokra redukált menetkapacitást képviseli. A vasmagos induktivitás önindukciós tényezője nemlineáris, nagyobb áramerősségeken - azaz nagyobb indukció vagy egyenáramú előmágnesezés esetén - csökkenő nagyságú. Az R v párhuzamos ellenállás a vas hiszterézisveszteségét és örvényáramú veszteségét képezi le, ez az indukció mellett a vizsgálati frekvenciától is függ. A C p menetkapacitás hatása kis frekvenciákon elhanyagolható. (Pontosabb meghatározással élve: ha a vizsgálati frekvencia jóval kisebb, mint az L és C p értékéből adódó rezonanciafrekvencia.) A veszteséges induktivitás egyik jellemzője a Q-val jelzett jósági tényező, amely az induktivitáson megjelenő meddő teljesítmény és az ellenállásokon elvesző hatásos teljesítmény hányadosa. A légmagos induktivitás jósági tényezője a frekvenciával arányosan nő (ameddig C p hatása elhanyagolható). Q = ωl R t A vasmagos induktivitás jósági tényezője is frekvenciafüggő. Kisfrekvenciákon (és kicsi indukció esetén) R v és C p elhanyagolható, az R t és L elemekből álló soros helyettesítő képre az előzővel jellegre azonos összefüggést kapunk: Q = ωl R t Nagyobb frekvenciákon (de ha még C p hatása nem számottevő), R t és C p hanyagolható el, az R v és L elemekből álló párhuzamos képre a jósági tényező:

160 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 19.oldal Q = R v ωl ábra. Induktivítás helyetesítő képe A két hatás eredőjeként a jósági tényező frekvenciafüggése a ábra szerint alakul, a jósági tényezőnek maximuma van ábra Vasmagos induktivítás jósági tényezőjének frekvenciafüggése Az induktivitásmérő hidak a vizsgált induktivitás - soros vagy párhuzamos - helyettesítő képének R x ellenállását és L x önindukciós tényezőjét mérik. Vasmagos induktivitás esetén az R x ellenállás a tekercselés R t és a vasmag R v veszteségi ellenállásának együttes hatását képezi le, ez utóbbiak elkülönített meghatározása egyetlen hídméréssel nem lehetséges. Vasmagos induktivitás esetén R x és L x értéke is függ a mérési frekvenciától valamint a méréskor az induktivitáson átfolyó áramtól. Használható mérési eredmények érdekében a mérés körülményeit ajánlatos úgy megválasztani, hogy az induktivitáson folyó mérőáram és ennek frekvenciája az üzemi jellemzőkkel közel egyező legyen. Egyenárammal előmágnesezett induktivitás is vizsgálható hídméréssel.

161 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 20.oldal Maxwell-Wien híd A híd kapcsolását a ábra mutatja. A híd kiegyenlítési feltételét leíró egyenlet: Az egyenlet rendezésének lépései: ábra A Maxwell-Wien híd 1 ( R x + jωl x ) = R 2 R 4 R 4 1 jωc 4 1 ( R x + jωl x ) = R 1 2 R 4 + jωc R 4 4 R x + jωl x = R 2 R 3 R 4 + jωc 4 R 2 R 3 Az egyenlőség akkor teljesül, ha külön a valós részek és külön a képzetes részek egyenlősége fennáll. A kiegyenlítés feltételét adó két egyenlet eszerint így alakul: R x = R 2 R 3 R 4 L x = R 2 R 3 C 4 Bár a híd frekvenciafüggő impedanciákat is tartalmaz, a kiegyenlítés feltételei - lineáris és parazita elemektől mentes impedanciák esetén - frekvenciafüggetlenek. A híd veszteséges induktivitás soros helyettesítő képének közvetlen meghatározására alkalmas.

162 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 21.oldal Vasmagos induktivitás esetén az R x ellenállás a tekercselés R t és a vasmag R v veszteségi ellenállásának együttes hatását képezi le. Nagy jóságú - azaz kis R x ellenállású - tekercsek vizsgálatakor kedvezőtlen az, hogy a kiegyenlítéshez nagy ellenállású R 4 ellenállásdekád szükséges. Az önindukciós tényező mérési pontosságát döntően a C 4 dekádkondenzátor szabja meg. Rontja a mérési pontosságot az, hogy R 4 szórt kapacitása C 4 -el párhuzamosan kapcsolódik. A mérési eredményekből számítható az induktivitás jósági tényezője is. A jósági tényező soros helyettesítő képre érvényes összefüggésébe behelyettesítve R x -re és L x -re vonatkozó kiegyenlítési feltételt a következőt kapjuk: Q x = ωr 4 C 4 A legnagyobb hídérzékenységet egységnyi abszolút értékű hídáttétel esetén kapjuk, azaz: R 2 x +( ωl x ) 2 F 0 = = 1 R 2 A közel egységnyi hídáttétel R 2 alkalmas megválasztásával valósíthatjuk meg. Nagy jóságú induktivitás esetén közel egységnyi hidáttételt akkor kapunk, ha R 2 ~ ωlx Hay híd ábra A Hay híd Nagy jóságú induktivitás mérésére előnyös, kapcsolása a ábrán szerepel. Kiegyenlítési feltétele:

163 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 22.oldal ( 1 R x + 1 jωl x )( R jωc 4 ) = R 2 R 3 Rendezés után az induktivitás jellemzőire az alábbiakat kapjuk: R x = R 2 R 3 R 4 L x = R 2 R 3 + C 4 A kiegyenlítés frekvenciafüggetlen, a hídban párhuzamos helyettesítő kép összetevőit határozhatjuk meg. A jósági tényező: 1 Q x = ωr 4 C 4 Nagy jóságú induktivitás esetén egységnyi hídáttételt akkor kapunk, ha R 2 ~ ωl x. A Hay híddal elérhető mérési pontosság a Maxwell-Wien hídéhoz hasonló, az R 4 dekádellenállás szórt kapacitása viszont kevésbé befolyásolja a mérést Owen híd ábra Owen híd A híd kapcsolását a ábrán mutatjuk be. A híd előnyösen használható akkor, ha

164 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 23.oldal egyenárammal előmágnesezett állapotban kívánjuk vasmagos induktivitás jellemzőit mérni ( b) táplálási mód), mivel az R 3 - C 3 - C 4 ágban egyenáram nem folyik, ennélfogva a kiegyenlítés során az előmágnesező egyenáram nem változik. A híd kiegyenlítési feltétele: Rendezés után: ( R x + jωl x ) 1 =( R jωc )R 4 jωc 2 4 A jósági tényező: R x = R 2 C 4 C 3 L x = R 2 R 3 C 4 Q =ωr 3 C 3 A híd kiegyenlítése frekvenciafüggetlen, soros helyettesítő kép összetevőinek mérésére használható. Ha C 4 precíziós kondenzátor, akkor L x mérése pontosabb lehet mint a Maxwell-Wien illetve a Hay híd esetében, mivel L x kifejezésében - C 4 -en kívül - nagy pontossággal megvalósítható normálellenállás (R 2 ) illetve dekádellenállás (R 3 ) szerepel. Nagy jóságú induktivitás esetén a hidáttétel egységnyi, ha R 2 ~ ωl x A kölcsönös indukciós tényező mérése ábra Kölcsönös indukciós tényező mérése Induktivitásmérő hidakkal két lépésben a kölcsönös indukciós tényező is megmérhető, a ábra szerinti kapcsolásokban. Az I. esetben a tekercseket sorba kapcsoljuk (a gerjesztés iránya mindkét tekercsben azonos), majd az a-b kapcsok közötti L I induktivitást megmérjük. A II. esetben a tekercseket szembe kapcsoljuk (a gerjesztések iránya ellentétes ), az a-b kapcsok között az L II induktivitást mérhetjük. A két mérési eredményéből a kölcsönös indukciós tényező a következő

165 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 24.oldal módon számítható: M = L I - L II 4 A kifejezés számlálójában szereplő különbségképzés miatt a mérés hibája igen nagy lehet, ha L I és L II közel egyenlő nagyságú (pl. laza csatolás esetén) Kapacitásmérő hidak A veszteséges kondenzátor helyettesítő képét a ábrán ábrázoltuk. Az R d ellenállás a dielektromos veszteségeket, az R sz a szigetelés átvezetését képviseli. Az L s parazita induktivitás tekercselt kondenzátorok esetén és nagyobb frekvencián érezteti hatását, többnyire elhanyagolható. Veszteséges kondenzátor esetén a kondenzátor árama nem 90 -al siet a feszültséghez viszonyítva. Az ettől való eltérést δ-val jelöljük és a kondenzátor veszteségi szögének nevezzük. A veszteségi viszonyok jellemzésére a veszteségi szög tangensét használjuk, ennek veszteségi tényező a neve. A veszteségi tényező igen kicsi számérték, gyakorlatban ennek szerese használatos (10 4 tgδ ). A veszteségi tényező a kondenzátor veszteségi teljesítményének és meddő teljesítményének hányadosa, frekvenciafüggő. Kisfrekvencián a C kondenzátor reaktanciája nagy, emellett a dielektromos veszteséget képviselő R d ellenállás elhanyagolható. Ekkor a helyettesítő kép a párhuzamosan kapcsolt R sz és C elemekből tevődik össze, a veszteségi tényező pedig: tg δ= P Q = 2 U R sz U 2 ωc = 1 ωr sz C

166 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 25.oldal ábra. Veszteséges kondenzátor helyettesítő képe Nagyfrekvencián R d és C eredő impedanciája jóval kisebb lesz R sz -nél, ekkor R sz hatása lesz elhanyagolható. A veszteségi tényezőre a következő összefüggést kapjuk: tgδ = P Q = I 2 R d I 2 ωc = ωr d C A két hatás eredőjeként a veszteségi tényező a frekvencia függvényében a ábra szerinti változást mutatja. A veszteségi tényezőnek minimuma van ábra A kondenzátor veszteségi tényezőjének ( tgδ ) változása a frekvencia függvényében A kapacitásmérő hidakkal általában a kondenzátorok olyan soros helyettesítő képe összetevőinek mérésére van lehetőségünk, ahol a soros ellenállás a dielektromos veszteségek és a szigetelés átvezetésének együttes hatását képezi le. Egyetlen hídméréssel R d és R sz elkülönített meghatározása nem lehetséges. A veszteségi tényező mért értéke csak azon frekvencia környezetében érvényes, amely frekvencián a mérést végeztük Schering híd A Schering hidat mind hangfrekvenciás kisfeszültségű mind hálózati frekvenciás nagyfeszültségű mérésekre egyaránt használjuk, kondenzátorok és szigetelőanyagok vizsgálatára. A híd kapcsolását a ábrán láthatjuk. A nagyfeszültségű híd táplálását nagy szekunder feszültségű transzformátor látja el, ilyen híd esetén a C 2 sűrített gáztöltésű, nagy átütési feszültségű kondenzátor. A nagyfeszültségű Schering hidat villamos készülékek szigetelésének vizsgálatára használják, a hídnak a vizsgált szigetelés (R x, C x ) és R 2 csatlakozási pontját földelni kell vagy már eleve földelt, pl. ha kábel szigetelését vizsgáljuk egy ér és a földelt köpeny között.

167 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 26.oldal ábra A Shering híd a.) Kisfeszültségű hangfrekvenciás b.) Nagyfeszültségű hálózati frekvenciás A nagyfeszültségű méréskor a veszteségi tényező mérése a fontos, mert ez képet ad a vizsgált szigetelés minőségéről. A ábrán a vizsgálati feszültség függvényében ábrázoltuk a veszteségi tényező változását. A névleges feszültség környezetében a veszteségi tényező alig változik, az átütési feszültséghez közelítve viszont a veszteségi tényező rohamosan nő ábra A veszteségi tényező változása a szigetelés vizsgálati feszültsége függvényében A Schering híd kiegyenlítési feltétele: ( R x ) ( ) = R jωc x jωc R 4 4 A rendezést követően a következő összefüggésekhez jutunk: 1 jωc 3

168 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 27.oldal R x = C 4 C 3 R 2 C x = R 4 R 2 C 3 A veszteségi ellenállás helyett általában a veszteségi tényezőt használjuk. tgδ x =ωr 4 C 4 A híd kiegyenlítési feltételei frekvenciafüggetlenek. A legnagyobb hídérzékenységet egységnyi hídáttétel esetén kapjuk. Közel egységnyi a hídáttétel, ha R 2 ~ 1 ωc x Glynne híd A Glynne híd áramkomparátoros híd, hangfrekvenciás és nagyfeszültségű mérésekre egyaránt használják. Kapcsolását a ábra mutatja be ábra A Glynne híd Kiegyenlített állapotban az N x és az N N tekercs gerjesztése azonos nagyságú és ellentétes irányú, azaz az eredő gerjesztés nulla.

169 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 28.oldal I x N x = I N N N Ekkor az áramkomparátor transzformátorának valamennyi tekercsében az indukált feszültség nulla, az A, B és C csomópont azonos potenciálú (az A, B, C csomópontokat akár össze is köthetnénk akkor, nem érzékelnénk változást a hídágak áramában.) A hidat tápláló generátor egyik kapcsa a C csomópontban földelt, az A és B csomópont virtuális földpont, az I x és I N áramokra vonatkozó összefüggések ennek figyelembevételével írhatók fel. Az I x áramot az U tápfeszültség és a soros R x - C x kör impedanciájának hányadosa adja. Az I N áramot a C N - C 0 kondenzátorokból álló, R ellenállással terhelt feszültségosztóra felírt áramosztó képlettel határozhatjuk meg. A gerjesztések egyensúlyát kifejező egyenletbe behelyettesítve I x -re és I N -re kapott kifejezéseket, rendezés után megkapjuk a híd kiegyenlítési feltételeit. A levezetést mellőzve, a következő eredményekhez jutunk: C x =C N N x N N tgδ x =ωr( C 0 +C N ) N x -el a méréshatár váltása, N N -el a híd kiegyenlítése végezhető el. Az R közvetlenül a veszteségi tényező értékére skálázható. A Glynne híd a szórt kapacitásokra kevésbé érzékeny, mint a Schering híd Frekvenciamérő hidak A váltakozóáramú hidak kiegyenlítése - megfelelő kialakítás esetén - frekvenciafüggő is lehet. Ebben az esetben a híd frekvencia mérésére is használható. A digitális frekvencia - és periódusidő mérő a hídénál pontosabb és gyorsabb frekvenciamérést tesz lehetővé Rezonanciahíd ábra A rezonanciahíd A rezonanciahíd kapcsolását a ábrán találhatjuk meg. Kiegyenlítési feltétele:

170 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 29.oldal Rendezés után a következőket kapjuk: ( R 1 + jωl jωc 1 ) R 4 = R 2 R 3 R 1 R 4 = R 2 R 3 ω x = 1 1 f x = L 1 C 1 2π L 1 C 1 A híd tehát akkor egyenlíthető ki, ha az L 1 - C 1 rezgőkör rezonanciafrekvenciáját a mérendő jel frekvenciájára hangoltuk. (A kiegyenlítéshez egyik ellenállás - pl. R 2 - változtatása is szükséges.) A rezonanciahíd néhány khz-től néhány MHz-ig terjedő frekvenciatartományban használható Wien-Robinson híd ábra A Wien-Robinson híd Ez a híd a kapacitásmérésre és frekvenciamérésre is használható Wien híd frekvenciamérésre szolgáló módosulata, kapcsolását a ábrán láthatjuk. Kiegyenlítési feltétele: ( R + 1 jωc ) R = 1 0 2R 1 0 R + jωc R 0 -al egyszerűsítve majd rendezve a következőt kapjuk: ω x = 1 RC f x = 1 2πRC A Wien-Robinson híd kiegyenlítése általában az együttfutó R dekádellenállásokkal történik, a C együttes változtatásával a frekvenciamérés tartományát választhatjuk meg. A híd mérési tartománya 30 Hz khz.

171 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 30.oldal A Wien-Robinson híd jelentősége a frekvenciamérés területén - a digitális frekvenciamérés térnyerésével - csökkent, viszont igen elterjedten használják RC színuszoszcillátorok frekvenciameghatározó részáramköreként a hangfrekveciás generátorokban. Ellenőrző kérdések 1. Hogyan fejezhetjük ki a mérőhidak általános érvényű kiegyenlítési feltételét egy komplex egyenlettel illetve két valós egyenlettel? 2. Milyen mérőszámmal jellemezhetjük a hidak érzékenységét, mitől függ ennek nagysága, mekkora ennek maximuma? 3. Kis ellenállás mérésekor milyen jelenségek nehezítik a pontos mérést? A Thomson híd milyen megoldást ad a kis ellenállások mérésére? 4. Milyen helyettesítő kapcsolással képezhetjük le a veszteséges és parazita impedanciákat is magába foglaló induktivitást illetve kapacitást? Milyen az induktivitás jósági tényezőjének illetve a kapacitás veszteségi tényezőjének frekvenciafüggése? 5. Melyik induktivitásmérő híd a legalkalmasabb nagy jósági tényezőjű induktivitás mérésére? Melyik híd használható egyenárammal előmágnesezett vasmagos fojtótekercs mérésére? 6. Hogyan mérhető a kölcsönös indukciós tényező? 7. Milyen speciális áramköri elemeket tartalmaznak az áramkomparátoros és az aránytranszformátoros hidak, milyen az elvi kapcsolásuk és működésük? 8. Szigetelések vizsgálatában milyen szerepet játszanak a kapacitásmérő hidak? Hogyan ítélhető meg a mérések alapján a szigetelés állapota? 9. Milyen lehetőségek vannak a hidakkal való frekvenciamérésre?

172 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 1.oldal 12. Kompenzátorok A kompenzációs mérés a nullmódszerek közé tartozó mérési mód. Lényege az, hogy a mérendő mennyiséget ismert nagyságú, változtatható mennyiséggel hasonlítjuk össze, a két mennyiség egyenlőségét valamilyen nullindikátorral érzékelhetjük. Kompenzáció elvén villamos és nemvillamos mennyiségek egyaránt mérhetők. Például az egyenlőkarú mérleggel való súlymérés erőkompenzációs mérés. Az ismeretlen súlyú anyagot a mérleg egyik serpenyőjébe helyezzük, a másikba ismert nagyságú (hiteles) súlyokat helyezünk mindaddig, míg a mérleg nyelve (a "nullindikátor") középhelyzetbe nem áll. A következőkben az egyenfeszültség és a váltakozófeszültség kompenzációval történő mérésével foglalkozunk Egyenfeszültségű kompenzátorok Az egyenfeszültségű kompenzátorok működésének alapelvét a ábrán mutatjuk be. A változtatható U k kompenzáló feszültséget a mérendő U x feszültséggel hasonlítjuk össze, a két feszültséget szembekapcsoljuk egymással. A két feszültség egyenlő voltát galvanométerrel érzékelhetjük. A kompenzátor kiegyenlített állapotában: U x =U k, I g = ábra. Egyenfeszültségű kompenzátor működési elve A kiegyenlített kompenzátor nem terheli a mérendő áramkört, végtelen belső ellenállású voltmérőként viselkedik.

173 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 2.oldal Változó segédáramú kompenzátorok A változó segédáramú kompenzátorok elvi kapcsolását a ábra mutatja be. Az I s segédáram változtatása - és ezzel a kompenzátor kiegyenlítése - az R sz szabályozó ellenállással történik, a segédáramot mutatós műszerrel mérjük. A kompenzátor kiegyenlített állapotában: ábra. Váltakozó segédáramú kompenzátor A mérés pontosságát döntően az I s segédáram mérésének pontossága szabja meg, azaz az erre használt mutatós műszeré. Gyors, az áramkört nem terhelő, de nem túl pontos mérésekre alkalmas Állandó segédáramú kompenzátorok. Az állandó segédáramú kompenzátorokban a kompenzáló feszültséget egy változtatható osztási arányú feszültségosztón (potenciométeren) hozzuk létre. A ábra két elvi megoldást mutat be. A a) ábra szerinti megoldásban a segédáram beállítása és stabilizálása egy stabilizált feszültségforrással történik. A segédáram: I S = U Stab R = konstans

174 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 3.oldal ábra. Állandó segédáramú kompenzátor A mérési pontosság a feszültség stabilitásának jóságától és a feszültségosztó osztási aránya pontosságától függ. Ezen az elven működik az automatikus kiegyenlítésű kompenzációs regisztráló műszer, a kompenzográf. A kompenzográf működési elvét a ábrán láthatjuk. Az U x -U 1 -U k feszültségeket tartalmazó hurokra a hurokegyenletet felírva a következő összefüggést kapjuk az erősítő U 1 bemenő feszültségére: U 1 =U x -U k Ha az U k kompenzáló feszültség nem egyenlő a mérendő U x feszültséggel, akkor az erősítő U 1 bemenő feszültsége nullától eltérő. Ez felerősítve jelenik meg az erősítő kimenetén (U 2 ), amelynek hatására az egyenáramú szervomotor - hajtóművön át mozgásba hozza a mechanikusan összekapcsolt írótollat és potenciométer-csúszkát. Megfelelő polaritású kapcsolatok esetén a potenciométer csúszkája olyan irányban mozdul, hogy az U x és U k közötti különbség csökkenjen és végül megszűnjön, ekkor a mozgás is megszűnik. Felfedezhetjük, hogy a kompenzográf egy zárt hatásláncú rendszer: olyan követő szabályozás, amelynek vezető jele a U x mérendő feszültség, ellenőrző jele az U k kompenzáló feszültség, rendelkező jele az U 1 feszültség, a szabályozott jellemző pedig az írótoll pozíciója. A szabályozási kör megfelelő kialakításával a kompenzográf sokkal pontosabb és jobb dinamikus tulajdonságú eszköz lehet, mint a közvetlen működésű vonalíró. Az X-Y koordinátarajzoló két kompenzográf-típusú alrendszerből épül fel, mindegyik egymástól függetlenül működteti az írótoll hosszirányú (X) és keresztirányú (Y) mozgását. A dinamikus tulajdonságok érzékeltetésére két adat: az írási sebesség elérheti az 1 m/s-ot, az írótoll gyorsulása a 100 m/s²-et (10 g).

175 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 4.oldal ábra A kompenzográf működési elve A b) ábra a precíziós (szabatos) kompenzátorok elvét szemlélteti. Ezekben az I s segédáram pontos beállítása is kompenzációval történik: az R N normálellenálláson az I s segédáram által létrehozott feszültségesést hasonlítjuk össze egy pontos, stabil feszültségforrás feszültségével. Ez a feszültségforrás a Weston-féle normálelem. A normálelem tipikus feszültsége 20 C-on U N = 1,0183 V. A feszültség kissé függ a hőmérséklettől, a normálelemekhez emiatt általában egyedi kalibrálási lapot mellékelnek, amely az erre vonatkozó információt is tartalmazza. Az R N normálellenállásnak is változtathatónak kell lennie, hogy a normálelem adott körülmények között szolgáltatott feszültségéhez tudjuk igazítani. Pl. ha a normálelem U N = 1,0183 V, Is = 1 ma segédáramot kívánunk beállítani, akkor R N értékét a következőre kell beállítani. R N = U N I S = 1, =1018,3Ω A mérés két lépésben (kétszeres kompenzációval) folytatható le: R N -en beállítjuk a választott segédáramnak (többnyire 1 ma vagy 0,1 ma) megfelelő értéket, R sz változtatásával beállítjuk a segédáramot. Ennek megtörténtét a G 1 galvanométer nulla helyzete jelzi számunkra. A mérendő feszültséget kompenzáló U k feszültséget a R összellenállású precíziós feszültségosztóval mindaddig változtatjuk, amíg a G 2 galvonométer nullát nem mutat. A kompenzátor kiegyenlített állapotában: U x =U k, U k = I s a R= U N R N ar, U x = U N R N ar

176 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 5.oldal A precíziós kompenzátor mérési pontosságát döntően a normálellenállás és a precíziós feszültségosztó szabja meg. A feszültségosztóval szemben támasztott követelmények: Az a-b csomópontok közötti R ellenállásérték ne változzon az a osztási arány változásával (máskülönben a segédáram is változna). A feszültségosztó a osztási aránya 5 decimális számjegy felbontással, dekádkapcsolókkal legyen beállítható ábra. Feusner kompenzátor feszültségosztójának felépítése A Feussner kompenzátor feszültségosztójának felépítését a ábrán mutatjuk be. Az 1000 Ω- os és a 100 Ω -os tagokból álló ellenállások fokozatkapcsolós potenciométerek, a 10, 1 és 0,1 Ω -os tagokból állók együttfutó kettős dekádellenállások. Ez utóbbiak működése olyan, hogy beállításukat változtatva a teljes hurok eredő ellenállása nem változik. Ha például a 10 Ω -os tagokból álló dekád kapcsolóját egy fokozattal jobbra forgatjuk, a felső ágon a körbe beiktatott ellenállás 10 Ω -al nő, az alsó ágon viszont 10 Ω -al csökken. Ha valamennyi dekád kapcsolóját baloldali szélső helyzetbe állítjuk, akkor az U k+ és az U k- kapcsok által közrefogott ellenállás nulla, az U k kompenzáló feszültség is nulla. A legnagyobb kompenzáló feszültséget a dekádkapcsolók jobboldali szélső állásában kapjuk. I s = 1 ma segédáram esetén V tartományban 0,1 mv felbontással mérhetünk egyenfeszültséget.

177 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 6.oldal 12.2 Váltakozófeszültségű kompenzátorok A váltakozófeszültségű kompenzátorokkal való mérés akkor válhat szükségessé, amikor a mért feszültség fázishelyzetére vonatkozó információ is szükséges, pl. feszültségváltók és áramváltók áttételi hibájának és szöghibájának meghatározásakor. A kompenzáló feszültség kis torzítású, a mérendő feszültséggel egyező frekvenciájú szinuszhullám. Ha a mérendő feszültség felharmonikustartalmú, a kompenzátor csak az alapharmonikusra lesz kiegyenlíthető. Ilyen esetben ajánlatos szelektív, az alapharmonikusra hangolt nullindikátor használata. A kompenzátor kiegyenlítéséhez a kompenzáló feszültség nagyságát és fázishelyzetét is változtatni kell. Erre két megoldás van: a fázistolós kompenzátor illetve a komplex (derékszögű) kompenzátor ábra A fázistolós kompenzátor a.) elvi kapcsolása b.) vektorábrája A fázistolós kompenzátor elve és vektorábrája a ábrán szerepel. A kalibrált fázistolóval ennek U k0 kimeneti feszültségét a U ref referenciafeszültséghez viszonyítva φ fázisszöggel el lehet forgatni. Az U k kompenzáló feszültség nagyságát potenciométeres feszültségosztóval állíthatjuk be. A komplex kompenzátor - a ábra szerinti elvi kapcsolásban - a kompenzáló feszültséget két, egymáshoz viszonyítva 90 -al eltolt fázishelyzetű feszültségösszetevő összegeként hozza létre, mindkét összetevő nagysága külön-külön állítható. Kiegyenlített állapotban:

178 PTE-PMMFK Méréstechnika fejezet- 7.oldal U x =U k = U 1k +U 2k U x = U 2 2 1k +U 2k, tgφ= U 2k U 1k Kiegyenlített állapotban a kalibrált feszültségosztók állásából megállapítható a mért feszültségnek a referenciafeszültséggel azonos fázisú összetevője (U 1k ), a referenciafeszültséghez viszonyítva 90 -al eltolt fázishelyzetű összetevője (U 2k ). Ezekből számítható U x nagysága valamint a mért feszültségnek a referenciafeszültséghez viszonyított φ fázisszöge ábra. A komplex kompenzátor a.) elvi felépítése b.) vektorábrája A váltakozófeszültségű kompenzátorok szerepét ellátó korszerű elektronikus mérőműszer a vektorvoltmérő. Két bemenetére a referenciafeszültséget illetve a mérendő feszültséget kapcsoljuk. A választott mérési módtól függően a feszültség nagyságát és fázisszögét vagy a feszültség két összetevőjét jelzi ki. Ellenőrző kérdések 1. Milyen előnyös vonásai vannak a kompenzációs feszültségmérésnek? 2. Mely regisztráló műszerek alapját képezi az automatikus kiegyenlítésű kompenzátor? 3. Precíziós kompenzációs feszültségmérésre melyik kompenzátor alkalmas, hogyan hajtjuk végre ezzel a mérést? 4. Váltakozófeszültség kompenzációs mérése milyen mérőeszközökkel oldható meg?

179 PTE-PMMFK Méréstechnika 1. Függelék oldal B Függelék 1. A műszereken és tartozékokon használható jelképek (Az MSZ-IEC 51 alapján) Szám Megnevezés Jelkép Áramnem és mérőművek száma B-1 Egyenáramú kör B-2 Váltakozó áramú kör (egyfázisú) B-3 Egyenáramú és váltakozóáramú kör B-4 Háromfázisú váltakozóáramú kör (általános jelkép) B-5 Háromfázisú váltakozóáramú kör nem szimmetrikus terheléssel (általános jelkép) B-6 Egy mérőmű háromvezetékes hálózathoz B-7 Egy mérőmű négyvezetékes hálózathoz B-8 Két mérőmű háromvezetékes nem szimmetrikus hálózathoz B-9 Két mérőmű négyvezetékes nem szimmetrikus terhelésű hálózathoz B-10 Három mérőmű négyvezetékes nem szimmetrikus terhelésű hálózathoz C Biztonság C-1 Vizsgálati feszültség 500 V C-2 Vizsgálati feszültség 500 V felett (Pl.: 2kV) C-3 Feszültségpróbának alá nem vetett műszer jele C-4 Az érintés veszélyességére figyelmeztető nyíl C-5 A megengedettnél magasabb hőmérsékletű hozzáférhető részek C-6 Kiegészítő szigetelés (kettős szigetelés)

180 PTE-PMMFK Méréstechnika 1. Függelék oldal Szám Megnevezés Jelkép C-7 Nagyfeszültség a tartozékokon és/vagy a műszeren D Használati helyzet D-1 Függőleges skálalappal használandó műszer D-2 Vízszintes skálalappal használandó műszer D-3 A vízszinteshez képest dőlt skálalappal (pl.: 60º) használandó műszer D-4 Példa olyan műszerre, amelyik úgy használandó mint a D-1, de 80º...100º névleges használati tartománnyal D-5 Példa olyan műszerre, amelyik úgy használandó, mint a D-2, de egy +1º...-1º névleges használati tartománnyal D-6 Példa olyan műszerre, amelyik úgy használandó, mint a D-3, de egy 45º...75º névleges használati tartománnyal D-7 A külső mágneses tér irányának jelölése a műszeren N E A pontossági osztály E-1 Osztályjel (pl.: 1,5), a konvencionális érték százalékában kifelyezett hibára vonatkozik, kivéve azt az esetet, amikor a konvencionális érték a skálahossz vagy a helyes érték E-2 Osztályjel (pl.: 1,5), ha a konvencionális érték a teljes skálahossz E-3 Osztályjel (pl.: 1,5), ha a konvencionális érték a helyes érték E-4 Osztályjel (pl.: 1), egy nemlineáris, végén sűrűsödő skálájú műszernél, amikor a konvencionális érték a teljes skálahossz és a hibára vonatkozó jelölés a helyes érték %-ában (pl.: 5%) is meg van adva F Általános jelképek F-1 Lengőtekercses műszer F-2 Kereszttekercses műszer (állandó mágnesű hányadosmérő) F-3 Lengőmágneses műszer F-4 Lengőmágneses hányadosmérő

181 PTE-PMMFK Méréstechnika 1. Függelék oldal Szám Megnevezés Jelkép F-5 Lágyvasas műszer F-6 Polarizált lágyvasas műszer F-7 Lágyvasas hányadosmérő F-8 Vasmente elektrodinamikus műszer F-9 Vasmagos elektrodinamikus műszer F-10 Vasmentes elektrodinamikus hányadosmérő F-11 Vasmagos elektrodinamikus hányadosmérő F-12 Indukciós műszer F-13 Indukciós hányadosmérő F-14 Hőhuzalos műszer F-15 Ikerfémes műszer F-16 Elektrosztatikus műszer F-17 Rezgőnyelves műszer F-18 Nem szigetelt hőátalakító F-19 Szigetelt hőátalakító F-20 Elektronikus rész a mérőkörben F-21 Elektronikus rész a segédáramkörben F-22 Egyenirányító F-23 Sönt F-24 Soros ellenállás F-25 Soros induktivítás