Měření kolem nás (19. část) Měření elektrických veličin – 1

Měření elektrických veličin a jevů je stále se rozvíjející kategorie. Začátek měl základy v analogových přístrojích, dnešek je především digitální. Měření elektrických veličin se rozvíjí velmi rychle, proto se článek bude věnovat spíše současnosti, která se stane historií.

Základní princip elektrických měření

Svět měření je v současné době rozdělen na analogové měření, měřicí metody a přístroje a na digitální měření. Autor do „digitálna“ záměrně nezahrnuje metody a přístroje, což vysvětlí později.

Při shrnutí principů měření elektrických veličin, lze s jistou nadsázkou říci: Najdi vazbu proudu nebo napětí na veličinu, kterou měříš. Pak veličinu uprav na rozumný (rozuměj snadno měřitelný) rozsah nebo úroveň, odečti hodnotu na analogovém přístroji nebo digitalizuj odpovídající proud nebo napětí a na displeji si přečti výsledek.

To se někdy netýká okrajových hodnot měřených veličin – třeba změřit napětí v řádu milionů voltů není věc ani jednoduchá, ani bezpečná. A uvedená definice se netýká ani některých analogových měřicích přístrojů, které využívají méně obvyklé principy měření (třeba měření frekvence).

Měření tedy obvykle probíhá v soustavě, která obsahuje část, ve které dojde k úpravě proudu nebo napětí, a z měřicího přístroje. Část, která se stará o úpravu proudu nebo napětí, je analogová a teprve měřicí přístroj je buď analogový, nebo digitální. Digitální měření je tudíž pouze záležitostí digitalizace měřeného napětí nebo proudu. Proto se text bude věnovat digitálnímu měření jen v části věnované měřicím přístrojům a převodníkům.

Pojďme začít tím jednodušším – měřicími přístroji.

Analogové měřicí přístroje

Magnetoelektrické měřicí přístroje

Tyto přístroje pracují na principu silového působení magnetického pole trvalého magnetu na vodič, kterým protéká měřený proud. Používají se k měření stejnosměrných napětí a proudů v širokých rozsazích.

Obr. 1. Princip magnetoelektrického měřicího přístroje

Základním prvkem přístroje je trvalý magnet, na který dosedají dva vhodně tvarované pólové nástavce. Ve válcové dutině těchto nástavců je váleček z magneticky měkkého materiálu. Ve vzduchové mezeře mezi pólovými nástavci a válečkem je otočně uložena cívka. Cívku vytvářejí závity z měděného drátu, které jsou navinuty na hliníkovém rámečku. V klidové poloze ji drží dvojice spirálových pružin, které zároveň fungují i jako přívody proudu. Na ose cívky je připevněna ručka přístroje.

Pohybový moment a výchylka přístroje jsou přímo úměrné velikosti proudu protékajícího cívkou přístroje (obr. 1).

Pro měření střídavých veličin je nutné do přístroje (nebo mimo něj) zakomponovat úpravu veličiny na stejnosměrnou – je tedy doplněn usměrňovač (obr. 2), obvykle Grätzův usměrňovač (můstek). Přístroj měří střední hodnotu usměrněného proudu nebo napětí. Zvykem je ale používat při měření a výpočtech hodnoty efektivní, proto jsou všechny magnetoelektrické přístroje s usměrňovačem kalibrovány v efektivních hodnotách sinusového průběhu.

Obr. 2. Schéma můstkového usměrňovače

Elektromagnetické měřicí přístroje

Elektromagnetický měřicí přístroj je typ elektromechanického zařízení používaný k měření elektrických veličin jako elektrický proud a napětí. Využívá magnetické účinky elektrického napětí.

Měřené napětí je přivedeno na pevný a pohyblivý segment (obr. 3), které se tím zmagnetizují ve stejné polaritě a začnou se odpuzovat. Síly se vyrovnají pootočením osy, na níž je připojen pohyblivý segment a zároveň ručička, která na ciferníku ukáže hodnotu měřené veličiny.

Elektromagnetický měřicí přístroj (voltmetr nebo ampérmetr) měří stejnosměrné i střídavé veličiny – není tedy třeba zapojovat jej s usměrňovačem jako např. magnetoelektrický měřicí přístroj. Elektromagnetický měřicí přístroj udává efektivní hodnotu harmonického průběhu.

Obr. 3. Uspořádání elektromagnetického měřicího přístroje

Elektrostatické měřicí přístroje

Tyto přístroje se používají k měření silových účinků elektrostatického pole. Měřicí ústrojí je tvořeno soustavou pevných a pohyblivých elektrod (obr. 4). Připojí-li se mezi tyto elektrody napětí, začnou na sebe působit přitažlivou silou a pohyblivé elektrody se začnou natáčet tak, aby svou co největší plochou zapadaly mezi elektrody pevné. V okamžiku vyrovnání pohybového a direktivního (pružina) momentu se výchylka ustálí.

Obr. 4. Elektrostatické měřicí ústrojí

Elektrodynamické měřicí přístroje

Elektrodynamický přístroj má dvě části – pevnou cívku, na kterou je přiveden elektrický proud z měřeného obvodu, a pohyblivou cívku, na niž se přivádí elektrické napětí ze stejného zdroje. Výsledná výchylka pak ukazuje činný výkon měřeného prvku, tedy součin přivedených veličin. Rozsahy přístroje se přepínají předřadným rezistorem v případě napětí a sérioparalelním řazením ekvivalentních sekcí pevné cívky v případě změny proudového rozsahu. Na tomto principu fungují wattmetry (obr. 5).

Obr. 5. Princip elektrodynamického měřicího přístroje

Indukční měřicí přístroje

Princip indukčního měřicího přístroje spočívá v tom, že do otočné části, kterou bývá hliníkový kotouč, se indukují proudy střídavým magnetickým tokem několika elektromagnetů (obr. 6). Vzájemným působením těchto proudů a magnetického pole vzniká pohybový moment. Otočné ústrojí nemá žádné přívody proudu a proudy se do něj dostanou pouze indukcí střídavých magnetických toků pevných cívek. Podmínkou funkce je tedy napájení střídavým proudem a tyto přístroje nelze použít v obvodech stejnosměrného proudu.

Obr. 6. Princip indukčního ústrojí

Tepelné měřicí přístroje

Základem těchto přístrojů jsou spirály z bimetalového pásku (bimetal nebo také dvojkov je pásek se dvěma vrstvami kovů, které jsou na sebe nalisované a mají různý součinitel tepelné roztažnosti). Měřicí ústrojí má tyto spirály dvě a ty jsou navinuty na ose přístroje protisměrně. Spirálou S1 protéká měřený proud, ta je tímto proudem zahřívána a vlivem teploty se roztahuje nebo smršťuje. Tímto pohybem se natáčí ručka přístroje. Druhá spirála S2 je určena k vyrovnání vlivu změny teploty v okolí na výchylku přístroje (obr. 7).

Obr. 7. Tepelné měřicí ústrojí

Přístroje se používají pouze jako ampérmetry k měření průměrné efektivní hodnoty proudu. Mají velkou setrvačnost.

(pokračování)

Zdroje:
[1] Wikipedia
[2] http://ebooks.skola-agc.cz/HW/Elektrická%20měření%20-%20skripta.pdf
[3] http://www.spspb.cz/wp-content/uploads/dumy/ele/VY_32_INOVACE_NO_ELE_07.pdf
[4] http://vf-elektronika-foto.cz/K5.html