Měření kolem nás (20. část) Měření elektrických veličin – 2

Ing. Martin Havlíček, Orbit Merret, spol. s r. o. | www.orbit.merret.cz

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, a proto se tento díl bude věnovat spíše současnosti, která se nepochybně stane historií.

Měřicí přístroje s Hallovou sondou

Hallova sonda, Hallův článek nebo Hallův senzor se používá k měření a automatické regulaci magnetických polí, měření velkých stejnosměrných proudů (0,5 až 10 kA), k ovládání velkých elektromotorů, jako multiplikátor, k měření součinu veličin, které je možné převést na součin BI (např. okamžitý výkon), pro bezkontaktní tlačítka, mechanické snímače (poloha, otáčky, zrychlení) apod.

Obr. 1. Hallův senzor

Měření probíhá na základě Hallova jevu. Tento jev je proces generace Hallova elektrického pole v polovodiči (existuje i v kovech, ale vzhledem k vysoké koncentraci vodivostních elektronů se téměř neuplatňuje) za současného působení vnějšího elektrického i magnetického pole. V důsledku toho se hromadí na jedné straně látky záporný náboj a na druhé straně náboj kladný. Díky tomu, že póly mají různý potenciál, vzniká Hallovo napětí. Vzorkem tak protéká proud. Působením Lorentzovy síly jsou nosiče vychylovány na jeden pól předmětu. Hallovo pole vyvolává opačnou sílu k Lorentzově síle.

Samotný senzor je tvořen tenkou polovodivou destičkou, skrz niž prochází proud. Při vložení destičky (článku) do magnetického pole skrz ni prochází indukční tok a přeskupuje náboje v destičce na jednu stranu. Tak na Hallově článku vzniká napětí, které je měřeno.

Obr. 2. Elektromechanický kmitoměr

Rezonanční měřicí přístroje

Elektromechanické kmitoměry

Přístroje využívají rezonanci částí své soustavy s kmity měřené střídavé veličiny. Používají se jako jazýčkové kmitoměry, které pracují na principu feromagnetické měřicí soustavy.

Přístroj se skládá z řady ocelových jazýčků, které jsou naladěny na odstupňované frekvence vlastních mechanických kmitů. Tyto jazýčky jsou umístěny v blízkosti elektromagnetu, jehož cívka je napájena proudem o frekvenci, kterou chce uživatel měřit. Průchodem proudu cívkou působí na jazýčky síla, která je rozkmitá. S největší amplitudou bude kmitat ten jazýček, který je v elektromechanické rezonanci s frekvencí proudu.

Přístroje se používají jako kmitoměry, nejčastěji pro frekvence okolo 50 Hz. Maximální měřitelná frekvence je přibližně 1 000 Hz.

Rezonanční měřiče frekvence (elektrické)

Základem této metody je sériový rezonanční obvod RLC a přístroje pracující na tomto principu se nazývají absorpční měřiče frekvence (vlnoměry) (obr. 3).

Při rezonanční frekvenci jsou napětí a proud v kmitavém obvodu ve fázi a amplituda proudu dosahuje maxima. Jestliže se tedy doplní kmitavý obvod indikátorem maximálního proudu a proměnný induktor nebo kapacitor obvodu stupnicí cejchovanou v jednotkách frekvence Hz, dostane se jednoduchý měřič frekvence. Nejvyšší měřitelnou frekvenci omezuje realizace kmitavého obvodu. S klasickým obvodem LC a výměnnými induktory je maximální frekvence asi 250 MHz. Speciální provedení obvodu umožňuje rozšířit rozsah až do frekvence 750 až 900 MHz. Tento měřič nevyžaduje vodivé propojení měřeného objektu a měřiče frekvence.

Obr. 3. Vlnoměr

Dutinové rezonátory

Dutinové rezonátory jsou nejčastěji používanými mikrovlnnými rezonančními obvody v pásmech centimetrových a milimetrových vln. Obecný dutinový rezonátor je část prostoru vyplněná dielektrikem a uzavřená vodivým kovovým pláštěm. Vzniká uzavřená dutina (odtud název dutinové rezonátory) (obr. 4).

Vysokofrekvenční energie z měřeného zdroje je přiváděna do rezonátoru pomocí vazební smyčky a stejným způsobem se odebírá část energie z rezonátoru za účelem indikace rezonance. Tím, že se posouvá zkratovací píst, dosáhne se v určité jeho poloze maximální úrovně výstupního signálu. Pro tuto polohu jsou oba zkraty (protilehlé stěny) vzájemně vzdáleny o délku rovnou celému násobku půlvlny.

Obr. 4. Dutinový rezonátor

Interferenční měřiče frekvence

K přesnému porovnání dvou frekvencí lze využít záznějovou metodu. Přivedou-li se do směšovače současně dvě harmonická napětí s frekvencemi f_x a f_o, vzniká na výstupu signál rozdílové frekvence f_z = |f_x – f_o|.

Frekvence fz dosáhne nulové hodnoty při rovnosti f_x a f_o. Je-li f_x měřená frekvence a fo je frekvence kalibrovaného proměnného oscilátoru, je možné laděním dosáhnout toho, že rozdíl frekvencí spadá do oblasti slyšitelného akustického pásma a k vyhodnocení nulového zázněje (f_x = f_o) lze použít zvukový, optický nebo elektronický indikátor.

K měření frekvence velmi slabých signálů (10^–6 V) lze použít heterodynní spektrální analyzátory, měrné přijímače, selektivní voltmetry nebo heterodynní měřiče frekvence pracující na záznějové metodě.

Elektronické čítače

V současné době je elektronický čítač nejčastěji používaným přístrojem k měření frekvence a časových intervalů, a to zejména pro vysokou přesnost, pohotovost, spolehlivost a přiměřený komfort, který poskytuje automatizace měření. Čítače umožňují měřit frekvenci od nuly do několika gigahertzů.

Frekvenční pásmo pro měření čítačem lze rozdělit do tří rozsahů. První, od nuly do přibližně 500 MHz, obsáhne čítač s „přímým měřením“. Tento rozsah je ovlivněn technologickým pokrokem rychlých logických obvodů a s jejich rozvojem se posouvá k vyšším frekvencím. Druhý rozsah končí asi na frekvencích 1,2 až 1,5 GHz a je zajištěn děličkou frekvence, která se zařazuje na vstup čítače. Třetí rozsah zasahuje až do desítek gigahertzů a je závislý na různých složitých konvertorech frekvence, které jsou součástí mikrovlnného čítače. Není neobvyklé, že čítač obsahuje několik vstupních svorek pro měření v různých frekvenčních rozsazích při rozdílných vstupních impedancích, popř. dva nezávislé rovnocenné kanály.

Ve funkci měřiče frekvence pracuje čítač tak, že určuje počet period obsažených v měřeném (předem zvoleném a známém) časovém intervalu. Aby byl měřený vstupní signál jednoznačný, je ve vstupních tvarovacích obvodech upraven na sled stejných impulzů.

Ve funkci měřiče doby periody čítač měří počet impulzů časové základny a hradlovací interval je odvozen z měřeného signálu. Vstupní tvarovací obvody opět upraví vstupní signál na sled stejných impulzů.

(pokračování)

Zdroje: [1] Wikipedia
[2] http://ebooks.skola-agc.cz/HW/Elektrická%20 měření%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