Áramerősség, feszültség és ellenállásmérés eszközei

Átírás

1 Áramerősség, feszültség és ellenállásmérés eszközei (áramerősség, feszültség, ellenállás, fáziseltolás, teljesítmény) A villamos mérőműszereket működésük elve alapján az alábbi csoportokba oszthatjuk. a)galvanometrikus műszerek a rajtuk átfolyó villamos áram közvetlen mechanikai erejével, vagy az áram hőhatása által felszabadított vagy kifejtett mechanikai erővel működnek b)indukciós műszerek a bennük áramló váltakozóáramok mágneses tere és az ez által indukált örvényáramok közt ébredő mechanikai erőhatások következtében mérnek c)elektrometrikus (elektrosztatikus) műszerek a rájuk ható villamos feszültség villamos töltéseinek mechanikai erőhatásai által működnek d)elektronsugaras műszer villamos feszültségnek, ill. villamos áram mágneses terének az elektronsugárra kifejtett kitérítő hatásaival működik és mér e)elektrolitikus műszer az egyenáram vegyi hatása alapján működik és mér

2 Az a, b, és c, alatti műszereket elektromechanikaiaknak is nevezik. Ezekben az erőhatások (nyomatékok) egyensúlya bizonyos elmozduló mérőelem meghatározott helyzetéhez van kötve. Az egyensúlyi helyzet: a mérőhelyzet egyértelműen jelzi a mért villamos mennyiség számértékét. A d, alatti műszerben (elektronsugárcsőben) az elektronnyaláb elmozdulása floureszkáló ernyőn megfigyelhető, és az eltérő villamos feszültséget, ill. áramot ezen az alapon lehet mérni. Az e, alatti műszerben az elektrolitból bizonyos idő alatt kiválasztott anyag mennyisége arányos az ugyanezen idő alatt átáramlott villamos töltéssel, az egyenáram időbeli integráljával; ez a mérés alapja. A Galvanometrikus műszerek Depréz-műszer: Állandó mágnes hengerszimmetrikus térben áramtól átjárt tekercs van pl. két rugalmas szálra függesztve. A tekercshez erősített 3 tükör a nyugvó lámpából rávetített fénysugarat visszaveri a nyugvó skálára; a tekercs az átfolyóáram hatására αszöggel elfordul, a tükörről visszavert kép a skálán egy adott hosszúsággal elmozdul. Az áramra érzékeny galvanométer ellenállása nagy; a feszültségre érzékeny galvanométeré lehetőleg kicsi legyen.

3 A Galvanometrikus műszerek - Depréz A Galvanometrikus műszerek Depréz-műszerek hibaforrásai: súrlódás mágnes idővel gyengül rugó túlterhelés miatt gyengül menetzárlat a tekercsben a függőleges tengely billeghet hibás skálaosztás hő hatására a mágnes átmenetileg gyengül deformálódhat a mutató Pontossági osztályjelei (hibaosztályok): 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 5,0. Külső mágneses terek kevéssé befolyásolják. Váltakozóáramú körökben közvetlenül használható száraz egyenirányítók alkalmazásával, pl. a Graetz-féle kapcsolásban ampermérőként és voltmérőként.

4 A Galvanometrikus műszerek - Depréz A Galvanometrikus műszerek Lágyvasas műszer: Kizárólag csak hengeres tekerccsel készül, amelynek belsejében az 1 álló és a 2 lengő vaslemezke van az áram által azonos módon mágnesezve, emiatt egymást adott erővel taszítják. Kitérítő nyomatéka az áramerősség négyzetével arányos, de nagymértékben függ a két vaslemezke relatív helyzetétől, tehát a lengő helyzetszögétől. Előnyei: egyszerű, olcsó, rugója és lengő része árammentes, nagymértékben terhelhető Készíthető ampermérőnek (milliampermérőnek) és voltmérőnek; az ampermérő a leírttal egyezik, a voltmérőt a megfelelő előtét-ellenállással kell kiegészíteni. Hibaforrások: súrlódás, menetzárlat, lengőrész vagy mutató deformálódása, skálahiba, frekvenciahiba. Működését külső mágneses terek rendkívül befolyásolják. Védekezés: vaslemezzel való burkolás.

5 A Galvanometrikus műszerek - Lágyvasas A Galvanometrikus műszerek Elektrodinamikus műszer: Áramtól átjárt álló és lengő tekercs adott kölcsönös erőhatásával, ill. nyomatékával működik, a lengő egyensúlyát rugó ellennyomatéka biztosítja. Az elektrodinamikus műszer álló és lengő tekercse sorosan, párhuzamosan, és egymástól függetlenül kapcsolható. Eszerint használható: soros belső kapcsolásban milliamper-mérőként és voltmérőként; párhuzamos belső kapcsolással ampermérőként; független kapcsolásban wattmérőként. Mechanikai csillapítás szükséges! Az elektrodinamikus műszer külsőmágnesterek zavaróhatására igen érzékeny. Védekezés: vaslemezburkolás, vagy pedig asztatikus szerkezet: közös tengelyen két lengő, ennek következtében két álló tekercsrendszer ellentétes áramirányokkal és így azonos kitérő nyomatékkal. Hibaforrások: súrlódás, rugó, tekercs, skálahiba, váltakozóáram esetén frekvenciahiba.

6 A Galvanometrikus műszerek - Elektrodinamikus B Indukciós műszerek Időben integráló indukciós fogyasztásmérő: Legelterjedtebb villamos mérőműszer, a gyakorlat számára igen megbízhatóan készíthető. Benne a feszültségi és az áramtekercs váltakozó gerjesztése működik egy-egy vasmagra és a vízszintes alumíniumtárcsára, azt hajtja adott forgatónyomatékkal, amely arányos a vizsgált áramkör teljesítményével. Hibaforrásai: súrlódás, hőhatásra a tekercshiba Fogyasztásmérőt úgy kell kapcsolni, mint egy wattmérőt. Több egyfázisú fogyasztásmérő közös tengelyre építhető: (Aron-kapcsolású) kétrendszerű és háromrendszerű fogyasztásmérő háromfázisú méréshez.

7 C Elektrometrikus műszerek Elmozduló és nyugvó mérőelemek közt vonzó erővel vagy taszító erővel, vagy vonzó és taszító erővel működnek. A hatás a pillanatnyi feszültség négyzetével arányos: a műszerek egyirányú és váltakozófeszültség mérésére használhatók. Taszító erővel működik az elektroszkóp, vonzó erővel nagyfeszültségű elektrométereink, vonzó és taszító erővel a kvadránsos elektrométer és pl. a szálas elektrométer. C Elektrometrikus műszerek Elektroszkóp: Az álló és az elmozduló fegyverzet azonos potenciálú, töltéseik egymást taszítják; az ívelt skálát kísérletekkel készítik. Nagyfeszültségű elektrométer: Olajtartóban az elmozduló és a nyugvó fegyverzet közt a mérendő feszültség működik. A fegyverzetek egymást vonzzák, a keletkező elmozdulással egyezik a rugómegnyúlása, ezt méri a karika elmozdulása. Arányosan nagyobb és a feszültséget méri a mutató hegyének elmozdulása; a skálát kísérletekkel kell megállapítani.

8 C Elektrometrikus műszerek - Elektroszkóp C Elektrometrikus műszerek Kvadránsos elektrométer: Négy ívelt kvadráns van, mintha lapos, korong alakú fémdoboz volna négy azonos negyedre vágva, ennek belsejében koaxiálisan van felfüggesztve a vízszintes síkúlengő; további fontos rész a műszer fémes hengeres tokja. Két-két átellenes kvadráns fémesen állandóan össze van kötve; ezek és a többi fémrészek (lengő, tok) egymástól borostyánkővel, teflonnal stb. szigetelve vannak. Feszültségmentes állapotban a lengőnek két kvadránspár elválasztó vonalában kell lennie. A műszer a lengő elfordulásával mér. Más kapcsolási kombinációk is lehetségesek (SEGÉDFESZÜLTSÉG ALKALMAZÁSA). A mérési egyenletet kísérlettel állapítják meg. Húros elektrométer: Feszes szál (húr) vezetően van összekötve az egyik állófegyverzettel; a mért feszültség a két álló fegyverzetre van kapcsolva. Az egyik fegyverzet taszítja, a másik vonzza a szálat, elmozdulását mikroszkópon át, az okulárban lévő skálán figyelik meg a feszültségmentes állapothoz képest; a skálaértékeket kísérletekkel állapítják meg.

9 D Elektronsugaras műszer Elektronsugaras oszcilloszkóp: Oszcilloszkóp katódsugár csövébe két-két párhuzamos sík lemez van beforrasztva ezekre kívül U 1 és U 2 feszültség működik, ezek E 1 és E 2 térerőssége a lemezek közt átsuhanó sugarat a maga irányában téríti ki. Ez az ernyőn megfigyelhető és mérhető. E Elektrolitikus műszerek Egyenáram vegyi hatásával működő árammennyiségmérő. Két típusa használatos: higanyjodid vizes oldatából tiszta higany válik ki a Stia nevű műszerben; míg hígított foszforsavból hidrogén válik ki a Siemensféle műszerben. Egyéb műszertípusok: elektromechanikai rezonanciával működővibrációs vagy rezonanciaműszerek, a szaporán lengő váltakozóáramú oszcillográfok, két villamos mennyiség viszonyszámát mérő hányadosmérő műszerek (logométerek), valamint a tárgyalt műszerek mechanizmusával működő rajzoló (regisztráló) műszerek.

10 használati területei Egyenáramra és váltakozó áramra, nagyfrekvenciára: hőhuzalos műszer elektrometrikus műszer elektronsugaras oszcilloszkóp Egyenáramra és hangfrekvenciára: egyenirányítós Deprézműszer hurkos oszcillográf Egyenáramra és frekvenciára: lágyvasas műszer elektrodinamikus műszer Csak egyenáramra: Depréz-műszer használati területei Váltakozóáramú használatban: effektív értéket mutat az elektrodinamikus, a lágyvasas, az indukciós, a hőhuzalos és az elektrosztatikus műszer; lineáris középértéket mutat az egyenirányítós Deprézműszer; csúcsértéket mutat ki kondenzátorral a Depréz-műszer, a hurkos oszcillográf, az elektronsugaras oszcilloszkóp.

11 A műszerek érzékenysége, ill. mérési határa Egyenáramú műszerek Áramerősség (A) Feszültség (V) tükrös galvanométer fénymutatós galvanométer mutatós galvanométer mutatós Depréz-műszer lágyvasas műszer elektrodinamikus műszer hőhuzalos műszer elektrosztatikus műszer A műszerek érzékenysége, ill. mérési határa Váltakozóáramra: erőátviteli frekvencián használható a fentiek közül a fenti határok közt a lágyvasas, az elektrodinamikus, a hőhuzalos és az elektrosztatikus műszer; hangfrekvencián használható száraz egyirányítós Áramerősség (A) Feszültség (V) Depréz-műszer hőhuzalos műszer hurkos oszcillográf elektrosztatikus műszer elektronsugaras oszcilloszkóp nagyfrekvencián használható hőhuzalos műszer elektronsugaras oszcilloszkóp elektrosztatikus műszer

12 Áramerősség mérése Terheléssel sorbakapcsolt ampermérővel mérik. Ampermérők rendszerük szerint a rajtuk átfolyóáram elektrolitikus vagy effektív középértékét mérik. Egyenáram vagy váltakozóáram elektrolitikus középértékének mérésére Depréz-típusúmilliampermérőszolgál (10-5 A 10-1 A-ig) Méréshatár söntöléssel 10 4 A-ig lehet kiterjeszteni. Mérési bizonytalanság 1% alatt van (0,2-0,5%) 3000A felett egyenáramú áramváltót alkalmaznak. A váltakozó feszültség és a frekvencia ingadozásától a mérés független. (max A-ig) Áramerősség effektív értékét lágyvasas műszerrel, elektrodinamikus műszerrel és indukciós műszerrel mérhetjük. Feszültség mérése A feszültséget a műszaki gyakorlatban voltmérővel mérik. A voltmérők rendszerük szerint a feszültség elektrolitikus vagy effektív középértékét mérik. Egyenfeszültség vagy váltakozófeszültség elektrolitikus középértékének mérésére megfelelő előtét-ellenállással ellátott Depréz-milliampermérőt használunk. Az előtét-ellenállás megcsapolásaival a műszer V mérési tartományban használható; a bizonytalanság a végkitérésen 0,2% (0,1%) is lehet. A váltakozó feszültség elektrolitikus középértékének mérésére a Deprézvoltmérő száraz egyenirányítóval használható. Egyenirányú feszültség mérésére használható hőelemes Depréz-műszer, elektrodinamikus műszer, elektrosztatikus műszer és különleges szerkesztésű lágyvasas műszer is. A váltakozófeszültség effektív értékének mérésére ugyanezek a műszertípusok használatosak.

13 Ellenállás mérése A műszaki gyakorlatban az ellenállás mérésére elterjedt módszerek: feszültség és áramerősség egyidejű mérése; feszültségesések összehasonlítása; mérés Wheatstone-híddal; mérés Thomson-híddal, Igen elterjedtek a gyakorlatban a közvetlenül mérő és mutató ohmmérők. Ellenállás mérése Feszültség és áramerősség egyidejűmérése Két fajta kapcsolást használunk Kisebb ellenállások méréséhez (2-3 Ohm) ábra szerint Nagyobb ellenállások méréséhez az ábra szerint dolgozhatunk ábra R x =U:[I-(U/R v )]; ábra R x =(U:I)-R ga ; Az eljárás alkalmazhatóminden nagyságrendűellenállás méréséhez. (10-6 Ohm Ohm) Bizonytalanság: 1%

14 Ellenállás mérése -Feszültségesések összehasonlítása R 1 és R 2 ellenállást sorbakapcsoljuk, közös és változatlan I áramerősséggel terheljük; ha a galvanométert az R 1, majd az R 2 sarkaira kapcsoljuk, a megfigyelt kitérés α 1 és α 2 ; akkor igen jó közelítéssel: R 1 :R 2 =α 1 :α 2 és R 1 =R 2 (α 1 :α 2 ) Az egyenlet csak akkor érvényes, ha mérés alatt I változatlan. A módszer gyors és kényelmes különösen kisebb ellenállások vizsgálatára. Bizonytalanság: az ismert ellenállás bizonytalansága és a galvanométer miatt további 0,5 1%. Ellenállás mérése - Wheatstone-híd Négy ellenállás közül három változtatásával kell elérni, hogy az árammal táplált híd galvanométere árammentessé váljon. Ekkor I g =0 és R 1 :R 2 =R 4 :R 3 és R 1 =R 2 *R 4 :R 3. Egyik ellenállás értéke tehát a másik hároméval kifejezhető, e három (R 2, R 3 és R 4 ) relatív bizonytalanságának összege érvényesül az eredményben. Mérési tartománya 1 Ohm 10 5 Ohm.

15 Ellenállás mérése -Thomson-híd (1 Ohm 10-6 Ohm-ig) Mérés két feltételének egyenlete: a:a=b:b és I g =0. Kiegyenlített Thomson-híd: R 1 :R 2 =a:b=a:b Ez az eljárás két kis ellenállás arányát jól mérhető nagyobb ellenállások arányára vezeti vissza. A feszültség ingadozása az eredményt nem változtatja meg. Az eredmény relatív bizonytalansága öt ellenállás bizonytalanságának összege. Ellenállás mérése - Ohmmérő mért ellenállás értékét közvetlenül mutatja kereszttekercses ohmmérő állandó mágneses műszer; mutatója a skálán kitéréssel mutatja két ellenállás arányát. A műszer két lengő tekercsének ellenállása a mért ellenálláshoz képest elhanyagolható. Bizonytalanság 1-5%.

16 A fáziseltolás csak egyhullámú (tiszta szinuszos) változásra értelmezhető; beszélhetünk φfázisszögről és szögfüggvényeiről. Az áramerősség, feszültség és teljesítmény ilyenkor egyfázisú, ill. szimmetrikus háromfázisú körben P=I*U*cosφ, ill. P= 3*I*U*cosφ ebből a fázistényező cosφ=p/(i*u), ill. cosφ=p/( 3*I*U). Tehát áramerősséget, feszültséget és teljesítményt kell, frekvenciát ajánlatos mérni. Szimmetrikus háromfázisú áramkörben cosφ mérhető elektrodinamikus hányadosmérővel. A műszer skáláját kísérletekkel kalibrálják, szimmetrikus áramkörben, a fenti wattmérős méréssel. Bizonytalanság 1-3%. Fáziseltolás mérése Fáziseltolás mérése - Hányadosmérő

17 Teljesítmény mérése Egyenáramú áramkor P=U*I Váltakozóáramú körben P=U*I*cosφ Egyenáramú körben a feszültség és az áramerősség külön-külön kompenzáló mérésével meg lehet mérni a teljesítményt kb. 0,02% bizonytalansággal; A gyakorlatban a teljesítményt egyenáramú áramkörben az áramerősség és feszültség egyidejű mérésével mérik; az eredmény bizonytalansága jó esetben 1%. Ha az egyenáram hullámos (egyirányítás), a Deprézműszer a közepes értéket méri: ilyenkor az egyenáramú teljesítményt is wattmérővel kell mérni. Teljesítmény mérése Teljesítmény váltakozóáramú méréséhez a gyakorlatban használt műszer: az elektrodinamikus wattmérő és az indukciós wattmérő. Nagy és igen nagy frekvencián is alkalmas teljesítmény mérésére, de helyhez kötött (csak laboratóriumi) műszer a kvadránsos elektrométer. A wattmérők mérési határa váltakozóáramú körben feszültség- és áramváltóval bővíthető.

18 Teljesítmény mérése Elektrodinamikus wattmérő Az állótekercs árama I, a feszültségi köréi ; a kitérés α, a műszerállandóc; egyenáramban I*I =C*α=I*(U/R w )=P/R w és P=CαR w Az ábra szerint kapcsolt wattmérő az α kitéréssel jelzett teljesítménybe beméri a wattmérő lengő tekercsének és a voltmérőnek fölvett teljesítményét P w -t és P v -t: P w =U 2 /R w és P v =U 2 /R v ezeket tehát le kell vonni a mérési eredményből, különösen, ha kis teljesítményt mérünk. Ez a kapcsolás váltakozóáramú körben is helyes. Ilyenkor C*α*R=P=U*I*cosφ. Teljesítmény mérése Elektrodinamikus wattmérő Háromfázisú áramkör teljesítményét három wattmérővel lehet és kell mérni, ha a rendszernek kivezetett 0-pontja van. A rendszer teljesítménye, P: P=P +P +P =U 1,0 *I 1 *cosφ 1 +U 2,0 *I 2 *cosφ 2 +U 3,0 *I 3 *cosφ 3 Szimmetrikus táplálásban és szimmetrikus terhelésben P=P +P +P = 3*U*I*cosφ három wattmérőt közös tengelyen, egyetlen műszerben lehet egyesíteni. Az összeadást elvégzi a műszer a skálán az összeg olvasható le (háromfázisú wattmérő három mérőrendszerrel).