Mjerenja skripta interna

8/12/2019 Mjerenja skripta interna

1/17

MJEOVITA SREDNJA TEHNIKA KOLA TRAVNIK

Elektrina mjerenja za IV razred

RADNI MATERIJAL ZA VANREDNE UENIKE -POLAZNIKE

(PRIVREMENI MATERIJALINTERNO)

- Decembar, 2010. -


2/17

2

1. Mjerni kompenzatori

Osim mjerenja sa mjernim instrumentima sa direktnim oitavanjem, izvode seelektrina mjerenja i mjernimmetodama koje omoguavaju usporedbu poznatih i nepoznatihveliina. Za usporeivanje je potreban indikator koji se podeava da ostane bez otklona na

nain to se podeava poznata veliina.Kompenzacionim metodama se odreuje nepoznati napon ili pad napona poreenjem

sa padom napona koji izaziva poznata struja na poznatom otporu. Naime,oba napona vezuju

se u opoziciju pa se poznati napon mijenja sve dok nul-indikator ne pokae nulu. Tada jenepoznati napon jednak poznatom. Za vrijeme mjerenja mjerni izvor ostaje neoptereen, jer jestruja kroz nul-indikator jednaka nuli. Mjerni rezultat je neovisan otporu indikatora i

unutarnjem otporu mjernog izvora, pa je to osnovna prednost kompenzacionih metoda nad

ostalim.

Kompenzatori za istosmjernu struju:

Na (sl.1) prikazan je osnovni spoj kompenzatora za istosmjernu struju,... a on slui zamjerenje nepoznatog istosmjernog napona.

Sli ka 1. Osnovni spoj kompenzatora

U pomonom krugu struju Ippodeavamo pomou etalonskog elementa. Preklopku (P)postavljamo najprije u poloaj (1) gdje se uporeuje napon (UN) etalonskog elementa s padomnapona na potenciometru. Otporom (RP) mijenjamo struju (IP)u pomonom krugu sve doknul-indikator ne ostane bez otklona. Tada je napon etalonskog elementa jednak padu napona

na otporu (R1) izmeu taaka (A-C) potenciometra:

1RIU

PN (1.1)


3/17

3

Kako su (R1) i (UN) tano poznati mogue je pouzdano odreivanje pomone struje.

Poslije ovoga preklopnik prebacujemo u poloaj (2) te, mijenjajui otpor (RP) traimopoloaj klizaa (C) pri kojem e nul-indikator ostati bez otklona. Ako pri tome otpor izmeutaaka (A) i (C) potenciometra iznosi (R2) bit e:

2RIU

PX (1.2)

Dijeljenjem jednadbi (1.2) i (1.1) dobiva se:

1

2

R

RUU

NX (1.3)

Za struju (IP) se obino odbire (0,1 mA) ili (1mA). To se postie kada kod etalonskogelementa, iji je napon (UN=1,01865 V)odaberemo (R1=10186,5 ). Tada je izraunavanjemjerenog napona jednostavno:

2

410 RU

X (1.4)

Utvrdili smo da se pomona struja ne smije mijenjati za vrijeme mjerenja napona(UX). To postiemo pouzdanom baterijom, temperaturno ovisnim otporima u pomonomkrugu i dobrim kontaktima na klizaima preklopnika.

Kompenzatori za izmjeninu struju

Kompenzacione metode se mogu koristiti i za usporedbu izmjeninih napona. Kodizmjenine struje se za postizanje ravnotee mjerni i kompenzacioni naponi moraju izjednaitii po veliini i po frekvenciji i po fazi. Velika tanost na podruju istosmjerne struje se postiedirektnim uporeivanjem mjerenog napona s naponom etalonskog elementa. Kod izmjeninestruje ne postoji odgovarajui etalon napona. Velika tanost se moe ostvariti samo pri

utvrivanju odnosa veliina mjerenog i kompenzacionog napona i njihovog meusobnogfaznog pomaka. Odreivanje veliine mjerenog napona se oslanja na pokazivanje mjernoginstrumenta s kojim s podeava pomona struja kompenzatora, kao i kod kompenzatora zaistosmjernu struju.


4/17

4

Kompenzator s termopretvaraem

Istosmjerni napon termopretvaraa proporcionalan je snazi (I2R) utroenoj na

zagrevnoj termo-ici. Iste rezultate dobijemo grijui icu istosmjernom ili izmjeninomstrujom ako su jednake efektivne vrijednosti struja. (Razlika se pojavljuje na vrlo visokimfrekvencijama jer se zbog skin efekta znatno poveava aktivni otpor ice). Na slici 2

prikazana je pojednostavljena shema jednog izmjeninog kompenzatora sa termopretvaraem.

Sli ka 2.Izmjenini kompenzator sa termopretvaraem Badarenje istosmjernom strujom

U pomonom istosmjernom kompenzacionom krugu podeava se struja (IP) otporom(RP) na odreenu vrijednost, tako da pad napona na otporu (RN) jednak naponu (UN)etalonskog elementa, kao i kod istosmjernih kompenzatora. Za pomonu struju (IP) obino seuzima (10mA). Pomona struja tee kroz zagrijevnu icu termopretvaraa (TP) koji se grije tena stezaljkama termoelementanastaje istosmjerni napon koji se kompenzira padom napona na

otporu (R) izmeu klizaa (klizaise pomiu dok nul-indikator N2 ne pokae nulu). Zatim sezagrijana ica termopretvaraa prikljuujeizmjenini strujni krug, a otpor (Rd) u istosmjerni.

Otpor (RD) je jednak otporu zagrijevne ice termopretvaraa tako da ovo prespajanjene izaziva promjenu struje (IP). Ne mijenjajui otpor (R) sada se podeava struja uizmjeninom krugu sve dok nul-indikator ne pokae nulu.


5/17

5

Sli ka 3.Izmjenini kompenzator sa termopretvaraem

Mjerenje izmjeninog napona

Tada kroz zagrijevnu icu termopretvaraa tee struja iste efektivne vrijednosti (IP)kao i pri prvom podeavanju, pa je mjereni izmjenini napon:

diPX

RRIU (1.5)

2. Analogni indikatori

esto je potrebno da se neka posmatrana pojava trajno zabiljei pa se naprave koje toomoguavaju zovu registrirajue. One su esto prikljuene na indikator a mogu i samostalno

biti prikljuene na izlaz mjerne naprave.Zapis se moe provesti na papirnoj traci - tintom, naspecijalnom papiru toplinom, ili na fotografskom papiru utjecajem svjetlosnog snopa,odnosno na magnetskoj traci.

Pisai

Ako je potrebno pratiti trenutne vrijednosti struje kroz pomini namotaj, tj. ako se eleregistrirati brze promjene, pojavljuju se dva momenta koje mora savladati moment (M)

izazvan strujom kroz namotaj. Brze promjene se mogu pratiti samo ako se na neki nain zabiljee, npr. npr. na papiru,pa je potrebno u tom sluaju izvesti kazaljku kao pisaljku. Cijelisistem permanentnog magneta pominog namotaja sa pisaljkom zove se pisaem.


6/17

6

Sli ka 4.Pisa sa pisaljkom

S momentom izazvanim strujom kroz namotaj (M) dre ravnoteu moment izazvankrutou opruge(MC), moment inercije (Mi) i moment trenja (Mt). Pisa sa pisaljkom premaslici 3 ne moe imati veu rezonantnu frekvenciju od 150 Hz. Iako najvei broj pisaaupotrebljava za registraciju tintu, za neke od njih koristi se poseban papir koji se sastoji od

dva sloja: podloge od tamnog papira i povrinskog sloja od lako topljivog bijelog materijala(voska ili posebne plastike). Pisaljka na svom donjem dijelu ima razapetu nit koja se

elektrinom strujom grije i topi gornji bijeli sloj, tako da ostaje kao trag donji sloj papira.Postoje izvedbe s pisaljkom od metalne tanke ipke koja preko indiga ostavlja trag na papiru.

Na taj nain se izbjegava mokar trag tinte, iako zapis nije jako kontrastan. Rezonantnafrekvencija je ovom sluaju malo vea iiznosi oko 200 Hz. Da bi se postigla vea graninafrekvencija potpuno je odbaena pisaljka (koja najvie doprinosi momentu inercije). Mlaztinte se trca pod velikim pritiskom na papir.

Sli ka 5.Pisa sa mlazom tinte


7/17

7

Tako je masa pisaljke zamijenjena mnogo manjom masom tinte. I pokretni sistem je u

tom sluaju manjih dimenzija. Izvodi se od rotirajueg permanentnog magneta uvrenogizmeu dvije torzione niti u polju elektromagneta pobuivanog strujama iz pojaala. Krozrotirajui permanentni magnet prolazi kapilara koja je na vrhu savijena da usmjeri mlaz tintena papir. Pritisak mlaza se kree u granicama (2,5-6) MPa to ovisi o brzini pisanja. Ako je

brzina vea potreban je vei pritisak. Granina frekvencija mu je oko 700 Hz.

3. Digitalni indikatori

LED (lightemitting diode) indikator

Za prikazivanje mjernog rezultata mogu da se upotrebe i skupine svijetleih (LED)dioda. Kada je LED (svijetlea dioda) propusno polarizirana - upljine injektiraju u N-

podruje a elektroni u P-podruje i pri tzv. direktnoj rekombinaciji elektrona i upljina dolazido emitovanja svjetla. (U direktnoj rekombinaciji elektron koji je u vodljivom energetskom

pojasu moe direktno prei u valentnipojas pri emu se emituje foton svjetlosti. Takvosvojstvo imaju tzv. direktni poluvodii; npr. galij-arsenid GaAs). Kako je PN spoj malihdimenzija, svjetlee su diode takasti izvori svjetlosti. Da bi se dobilo svijetljenje jednogsegmenta, potrebno je da ih unutar jednog segmenta bude vie (npr. 3-6). Na slici.... je

prikazan sastav jedne sedmosegmentne znamenke od svijetleih dioda (u ovom sluaju 42).Svijetlee diode se primjenjuju kao pogodni alfanumeriki indikatori u mjernim ureajimazbog malog pogonskog napona, malih dimenzija i mogunosti da se izvode u integralnoj

tehnici. Nedostatak je velika potronja struje po segmentu, koja nije manja od 4 mA, uz 1,7 Vto iznosi 7mW. Ako indikator ima etiri cifre sa upaljenim svim segmentima to znaipotronju od: 4x7x4=112mA.

Sli ka 6.Izvedba 7-segmentnog indikatora sa svijetleim diodama


8/17

8

Indikatori sa tenim kristalilma LCD (liquid cristaldisplay)

Neke organske materije s benzolovom strukturom molekula u tekuem stanju

pokazuju izvjestan red meu molekulama pa su u nekom smislu sline kristalima. Molekuletih materijala su tapiastog oblika i asimetrine grae tako da im centri pozitivnog inegativnog naboja ne padaju u istu taku pa formiraju elektrini dipol. Zbog navedenihsvojstava i meumolekularnih sila ove molekule tenih kristala zauzimaju isti meusobno

paralelni smjer u prostoru,u kojem su smjetene. To je najee smjer okomit na elektrode a tozavisi od obraenostipovrine elektroda sa njihove unutranje strane (slika....), kada smjermolekula moe biti i kos prema elektrodi. Pod utjecajem elektrinog polja dipoli mijenjajusvoj smjer, a osim toga izvjestan broj elektrinih naboja svojim kretanjem uzrokuje lokalne

poremeaje u elektrinom polju, to rui postojei red meu molekulama i ima kao posljedicuturbulenciju - odnosno difuzno raspravanje svjetla kroz tekue kristale.

Sli ka 7.Prolaz svjetla kroz sloj tekuih kristala Izvedba sa dinamikim rasprenjem

Tekui kristali ne predstavljaju ni krutu,ni tekuu fazu i mogu da se nau u viemeufaza (mezofaza). U sluaju da se ele upotrijebiti kao indikatori koji su ovisni oelektrinom polju koristi se njihova nomatika meufaza pri kojoj su due osi molekula

meusobno paralelne. Tekui kristali se smjetaju izmeu prozirnih i elektriki vodljivihelektroda. Razmak izmeu tih elektroda je svega (6-25) m. Dok ne djeluje elektrino polje,taj tanki sloj tekuih kristala je proziran. Pod djelovanjem elektrinog polja nastajeturbulencija i raspravanje svjetla. Sloj tada izgleda kao zamrznuto staklo. Do efektaraspravanja svjetla dolazi samo u podruju djelovanja elektrinog polja koje je odreenooblikom i povrinom elektroda. Na jednoj strani sloja tekuih kristala nalazi se sedamsegmenata, koji su izvedeni kao prozirne elektriki vodljive elektrode, dok druga stranasloja ima prozirnu vidljivu elektrodu pravokutnog oblika a ona pokriva povrinu svih sedamsegmenata. Na taj je nain elektrino polje ogranieno na segmente a ne na dovode dosegmenata. Izvedba indikatora prikazana je na slici 9. Osim opisanog naina primjene tekuihkristala, koji je poznat kao dinamiko rasprenje, postoji jo jedan nain koji se koristi

polarizacijom svjetla, pri emu se s vanjske strane elektroda postavljaju polarizatori.


9/17

9

U tom su sluaju molekule tekueg kristala rasporeene spiralno pa svjetlo prolazikroz njih zaokreui ravan plarizacije kroz unakrsno smjetene polarizatore. Djelovanjemelektrinog polja molekule se zaokrenu, to ima za posljedicu neprolaenje svjetla kroz

polarizatore (Slika 8).

Sli ka 8.Prolaz svjetla kroz sloj tekuih kristala Izvedba sa polarizatorima

Sli ka 9.Izvedba indikatora sa tekuim kristalima


10/17

10

4. Mjerenje neelektrinih veliina elektrinim postupcima

Primjena elektrinih mjernih instrumenata i mjernih metoda moe da se proiri i zamjerenja razliitih neelektrinih veliina koje se prvo trebaju pretvoriti u elektrine. U

automatskoj regulaciji neelektrinih veliina elektrinim postupcima (to je posebno znaajnou industriji) ovakvo rjeenje postaje neophodno. Pretvaranje neelektrinih veliina uelektrine se ostvaruje pomou pretvaraa. Kod pojedinih pretvaraa mjerena neelektrinaveliina izaziva direktno ili indirektno,promjenu prikladnog otpora, kapaciteta, induktivitetaili meuinduktiviteta. Oni trebaju da budu to jednostavnije, pouzdanije i trajnije konstrukcijei da osiguravaju jednoznanu linearnu zavisnost izmeu mjerene neelektrine i dobiveneelektrine veliine.

Pasivni otporni mjerni pretvarai

Kod otpornih pretvaraa za mjerenje pomjeraja mjerena veliina izaziva pomak

klizaa ime se dakle mijenja i otpornost u strujnom krugu otpornog pretvaraa (slika 10).Sama promjena tog otpora mjeri se metodama za mjerenje otpora. Za mjerenje pravolinijskih

pomaka i uglova zakreta mogu da se koriste izvedbe sa prstenastom staklenom cijevi (slika

11) unutar koje se nalazi tanka platinska ica otpora 10. Prstenasta cijev je do polovineispunjena ivom iznad koje se nalazi vodik. Presjek ice je velik tako da je dio platinske ice

praktiki kratko spojen, pa zakretanje prstena oko centra O mijenja otpor izmeu taakaprikljuaka (A-C) i (C-B). Ova izvedba je dobro zatiena od prljavtine, ima pouzdankontakt ali je osjetljiva na potrese.

Sli ka 10. Otporni pretvara sa klizaem:

(1-iani namot; 2-kliza; 3-povratna opruga; 4-poluga za pomak)

Za mjerenje temperature koriste se tzv. otporni termometri kod kojih mjerena

temperatura mijenja otpor ianog ili poluvodikog otpornika. Za mjerenje temperatura od:(-220oC do +750oC) koriste se icani otporni termoelementi izraeni obinood platinske ilinikalne ice. Jedan tipini otporni termoelement prikazan je na slici 12.


11/17

11

Sli ka 11. Otporni pretvara sa prstenastom cijevi i ivom

Otporna ica namotana je na tijelo od izoacionog materijala otpornog na temperaturu(keramika, staklo, tinjci) i prekrivena keramikom ili staklom. Uloak sa otpornog icomugrauje se u zatitnu cijevkako bi se obezbijedila zatita od mehanikih i hemijskih utjecaja.

Sli ka 12. Otporni termometar

Mjerenje otpora otpornih termoelemenata obavlja se pomou instrumenata saunakrsnim namotajima, a za precizna laboratorijska mjerenja se koristi ili Wheatstoneov most

ili istosmjerni kompenzator. Kao otporni elementi koriste se i poluvodii. Oni imajuuglavnom negativan temperaturni koeficijent.

1- mjerni otpornici2- unutarnji vodovi3- prirubnica za privrenje4- zatitna cijev5- prikljune stezaljke6- prikljuna glava


12/17

12

Induktivni mjerni pretvara

Rad induktivnih mjernih pretvaraa osniva se na promjeni induktiviteta pod utjecajem

mjerene neelektrine veliine. Sama promjena induktiviteta postie se promjenom reaktansenamotaja ili promjenom broja zavojaka. iroka je primjena ovih mjernih pretvaraa. U nekimizvedbama promjena reaktanse se ostvaruje pomakom jezgra prema namoti (slike 13 i 14).

Slika 13.Mjerna kutija vage sa rasteznim Sli ka 14.Ovisnost R, X, Z ... o poloajumjernim trakama jezgre u namotu

Promjene induktiviteta, a time i reaktanse jednog namota, koje nastaju kod pomicanja

jezgre su male, pa se koriste rjeenja u kojima pomicanje jezgre dovodi do poveanja jednog,a smanjenja induktiviteta drugog namota. Spajanjem namota u mosni spoj postie se veaosjetljivost i tanost.

Sli ka 15. Ovisnost struje dijagonale o poloaju jezgre kod


13/17


14/17

14

Sli ka 17. Termoelement

Zagrijavanjem mjesta na kojem se dodiruju dva razliita metala ili legure, naslobodnim krajevima se javlja termoelektrini napon koji ovsi o temperaturnoj razlicizagrijanog spojita i hladnih krajeva ali i od vrste upotrebljenih metala (legura). Dobre

kombinacije su parovi: bakar-konstantan, eljezo-konstantan, nikalkrom-nikal i platinarodij-platina. Karakteristike ovih parova prikazane su na slici 16. Odabir odgovarajue kombinacijezavisi od visine mjerene temperature i od otpornosti termoparova prema mjerenom mediju. Za

poveanje mehanike otpornosti termoparova i otpornosti prema hemijskim utjecajimatermopar se zatiuje metalnom ili keramikom cjevicom. Na slici 17 prikazan je jedantermopar (termoelement) sa zatitnom cijevi.

Kako napon termoelementa zavisi od razlike temperatura izmeu zagrijanog i hladnogkraja, instrument koji mjeri napon moe da se izbadari tako da pokazuje temperaturuhladnog kraja. Za temperaturu poredbenog mjesta moe se uzeti ili 00C ili sobna temperatura(200C). Posebnim spojem se postie da pokazivanje instrumenta ne ovisi o temperaturi

poredbenog mjesta. Wheatstoneov most, sastavljen od tri temperaturno neovisna otpora i

temperaturno ovisnog otpora smjetenog na poredbeno mjesto termoelementa (na nekojodreenoj temperaturi poredbenog mjesta most je uravnoteen), u djagonali se nalazitermoelement i mjerni instrument. Odgovarajuim podeavanjem mosta moe se postii danapon njegove dijagonale nadoknadi promjenu napona termoelementa. Napon termoelementa

iznosi od 5mV do 50mV i moe da se mjeri kompenzatorima ili milivoltmertima.


15/17

15

5. AUTOMATSKI MJERNI SISTEMI

Automatski mjerni sistemi su raunarski upravljani mjerni sistemi. Centralni procesorizvrava programske instrukcije koje prenose, izraunavaju i uporeuju podatke. Program

moe i da prima podatke sa perifernih organaili da alje izlaz na periferne organe. To mogubiti:

1. mjerni instrument2. tampa3. tastatura4. monitor i dr.Povezivanje mjerne opreme i raunara vri se pomou magistrale. Magistrala predstavlja

vei broj vodia (npr.16) na koje su paralelno vezani automatizovani izvori napajanja ielektroniki instrumenti. U primjeni magstrale jednim vieilnim kablom se ide od raunarado prvog instrumenta, drugim vieilnim kablom od prvog do drugog instrumenta,... itd, priemu se kablovi nastavljaju jedan na drugi preko prikljuaka na instrumentu i tako mobrazujumagistralu. Osnovna prednost magistrale je to ona standardizuje namjenu pojedinih vodiakoji povezuju raunar sa instrumentima i to su svi kablovi za povezivanje jednaki usvakom kablu npr. vodii br. (1-8) slue za slanje podataka, vodii br. (9-13) slue zaupravljanje, itd. Na taj nain ne moe doi do zamjene pojedinih kablova ili do mijeanja

pojedinih prikljuaka. Pored toga je i nain komunikacije izmeu raunara i pojedinihinstrumenata standardizovan.

Mjerenja u automatskom mjernom sistemu obavljaju se na temelju programa koji se

pokree na raunaru. Npr, algoritam za mjerenje pojaanja NF pojaala na 1 kHz. Neka seovo mjerenje obavlja uz uvjet da se na zvuniku od 8 dobije snaga od 2 W, i neka se

oekuje da je pojaanje pojaala oko 40 dB. Znai, da bi se dobio na izlazu napon od 4 V,napon na ulazu bi trebao biti oko 40 mV. Algoritam za obavljanje ovog mjerenja bi mogao daizgleda ovako:

1. Postaviti NF generator na 1 kHz2. Staviti izlaz NF generatora na G=20 mV3. Izmjeriti napon na zvuniku i zapamtiti ga kao V4. Ako je V4 V, ii na taku 8 algoritma6. Poveati G za 1 mV7. Ii na taku 3 algoritma8. Izraunati koliko je pojaanje pojaala dobiveno kada se 4 V podijeli sa zadanomvrijednou ulaznog napona G9. Izraunatu vrijednost za pojaanje izraziti u dB10.Prei na sljedee mjerenjePri izvravanju ovog algoritma, automatski mjerni sistem polazi sa malim ulaznim

naponom (20 mV), uz pretpostavku da e se tada svakako dobiti da je izlazni napon manji odzahtijevanih 4 V (da e se proi kroz petlju algoritma: 3,4,6,7 i natzad u 3). Pri svakom

prolazu kroz petlju napon iz NF generatora se poveava za 1 mV, mjeri se napon na zvuniku,ako je taj napon manji od 4 V, ponavlja se petlja uz dalje poveavanje napona generatora. Ovakvim postepenim poveavanjem napona na izlazu generatora postii e se u jednom

momentu da napon na zvuniku bude: V>4 V, i tada e se izai iz petlje i otii na taku 8algoritma, gdje e se izraunati pojaanje pojaala.


16/17

16

Sli ka 18. Upotreba magistrala za povezivanje instrumenata

Sli ka 19.Povezivanje instrumenata u automatskom mjernom sistemu


17/17

17

Literatura:

[1] Zdravko Vrsalovi, Elektrina mjerenja(IV razred elektrotehnike kole), Ljiljan,Sarajevo, 1998.

Documents

Mjerenja skripta interna