MAGNETOELEKTRYCZNY

W przetwornikach magnetoelektrycznych źródłem momentu napędowego jest wzajemne oddziaływanie stałego pola magnetycznego i uzwojenia, przez które płynie prąd. Organem ruchomym jest miniaturowy magnes trwały umieszczony wewnątrz nieruchomej cewki lub lekka cewka znajdująca się w nieruchomym polu magnesu trwałego. Najczęściej spotyka się drugie rozwiązanie, w którym magnes trwały 1 wraz z nabiegunnikami 2 i rdzeniem 3 stanowią ciężkie elementy nieruchome, służące do wytworzenia w szczelinie powietrznej 4, pola magnetycznego o promieniowym kierunku i stałej wartości niezależnej od położenia (czyli od kąta ). Organem ruchomym jest cewka 5, nawinięta cienkim izolowanym przewodem miedzianym(rzadziej aluminiowym). Cewka jest ułożyskowana w taki sposób, aby jej oś obrotu pokrywała się z osią geometryczną szczeliny obwodu magnetycznego. Do cewki jest przymocowana wskazówka oraz masy dodatkowe tak dobrane, że środek ciężkości całego organu ruchomego znajduje się na osi obrotu. Dwie sprężyny spiralne doprowadzają prąd do cewki i są jednocześnie źródłem momentu zwrotnego.

Moment skręcający:

W mierniku magnetoelektrycznym cewka o wymiarach

a,b o z zwojach umieszczona jest w polu magnetycznym magnesu trwałego o indukcji B.

Przez cewkę płynie prąd I. Przepływ tego prądu powoduje powstanie sił działających na boki cewki b: gdzie długość czynna cewki o z zwojach wynosi : Siły działające na cewkę tworzą parę sił, kt órej moment wynosi:

Wpływ temperatury:

Strumień skojarzony z cewką – maleje ze wzrostem temperatury.

Stała zwracania – maleje ze wzrostem temperatury.

Rezystancja cewki wykonanej z przewodu miedzianego rośnie ze wzrostem temperatury.

Na skutek tych zmian wskazania miernika maleją ze wzrostem temperatury o około 4%/10K. Aby temu zapobiec stosuje się układy kompensacyjne. Są to oporniki wykonane z manganinu, materiału o rezystancji praktycznie niezależnej od temperatury.

Rozszerzenie zakresu amperomierza:

Czynność ta polega na zbocznikowaniu ustroju miernika rezystorem o niewielkie rezystancji. Dzięki temu przez cewkę miernika płynie tylko część mierzonego prądu, reszta płynie przez bocznik:I=Ia+Ib, Podstawowym parametrem opisującym rozszerzenie zakresu amperomierza jest mnożnik m=I/Ia. Poprzez dołączenie bocznika do ustroju zmieni się rezystancji zestawu widziana z punktu widzenia obwodu badanego.Rz=(Ra+Rb)/(Ra+Rb).

Rozszerzanie zakresu woltomierza:

Woltomierz magnetoelektryczny jest to ustrój magnetoelektryczny (wykorzystywany jako taki do pomiaru prądu) z wmontowanym rezystorem wewnętrznym R_w. Suma rezystancji rezystora wewnętrznego R_W i rezystancji sprężyn doprowadzających prąd RS do ustroju oraz rezystancja cewki RC stanowią rezystancję woltomierza Rv. Wielkość rezystancji dodatkowej R_D w zależności od mnożnika m: Rd=Rv(m-1).

Prąd jest ograniczony ze względów termicznych więc przy pomiarach większych napięć w szereg z woltomierzem należy włączyć rezystor dodatkowy Rd.

ELEKTROMAGNETYCZNY

Moment napędowy powstaje w wyniku wzajemnego przyciągania się lub odpychania rdzeni wykonanych z miękkiego materiału ferromagnetycznego pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę, przez którą płynie prąd. Można je stosować do prądu stałego i zmiennego. Ze względu na duży pobór mocy nie stosuje się ich jednak przy prądzie stałym. Podziałka nie jest równomierna. Parametrem charakterystycznym jest liczba amperozwojów. Nie stosuje się boczników. Aby otrzymać woltomierz, wystarczy do amperomierza włączyć szeregowo rezystor.

Moment skręcający:

stały prąd -

energia pola magnet. cewki:

dA – przyrost energii zgromadzonej przez cewkę:

zmienny prąd -

Mssr=(I^2)/2*(dL/dalfa)

Zmiana zakresów:

Zmianę zakresów pomiarowych w amperomierzach elektromagnetycznych uzyskuje się przez zmianę liczby zwojów cewki, przy czym należy pamiętać, że liczba amperozwojów powodująca pełne odchylenie organu ruchomego jest stała dla danego miernika (Iz)_n = const.

W amperomierzach nie stosuje się boczników.

Zmianę zakresów pomiarowych w woltomierzach elektromagnetycznych uzyskuje się przez zastosowanie oporników dodatkowych tym sposobem można zwiększyć zakres do 4xU_n. Aby uzyskać większy zakres przełącza się szeregowo albo równolegle dwie identyczne cewki woltomierza. Dla dwóch rezystorów dodatkowych uzyskujemy zwiększenie ilość zakresów.

Wpływ częstotliwości i obcych pól:

Częstotliwość : W częściach metalowych ustroju pomiarowego znajdujących się w zasięgu pola magnetycznego cewki zasilanej prądem przemiennym indukują się prądy. Pole magnetyczne wytworzone przez te prądy osłabia pole cewki, w wyniku, czego następuje zmniejszenie wskazania.

Pole : Indukcja pola w cewce ustroju wynosi od kilku do kilkunastu militesli. Nawet niewielkie zewnętrzne pola magnetyczne w istotny sposób wpływają na odchylenie organu ruchomego. Mierniki elektromagnetyczne muszą być, więc ekranowane.

Kształt przebiegu: Nie ma wpływu na pomiar, gdy przebieg nie jest zanieczyszczony impulsami. Mierzona jest zawsze wartość skuteczna.

ELEKTRODYNAMICZNY

Działanie miernika elektrodynamiczznego jest oparte na wykorzystaniu sił występujących między przewodami, przez które płyną prądy. W polu magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący przez cewkę nieruchomą umieszczona jest cewka ruchoma. Prąd do cewki ruchomej jest doprowadzany za pomocą spiralnych sprężyn, które wytwarzają jednocześnie moment zwrotny. Na osi obrotu cewki ruchomej umocowana jest wskazówka oraz tłumik i korektor zera. Między blokami cewek występują siły wytwarzające moment napędowy, który powoduje obrócenie cewki ruchomej w takim kierunku, aby strumienie magnetyczne obu cewek dodawały się. Moment napędowy jest proporcjonalny do przyrostu energii magnetycznej miernika przy obrocie organu ruchomego o kąt d. Enrgię można wyrazić za pomocą zależności:

Zakładając, że prądy w cewkach są wymuszone i nie zmieniają się w czasie potrzebnym do obrotu cewki ruchomej o kąt d, można obliczyć wartość momentu napędowego: Zmiana zakresu amperomierza:

Dla prądów do 0,5 A pomiaru dokonuje się przy szeregowym połączeniem obu cewek miernika. Powyżej tego prądu stosuje się połączenie równoległe cewek. W celu zachowania niezmiennego stosunku prądów w cewkach przy zmianach temperatury oraz zgodności faz między prądami przy pomiarze prądu przemiennego, szeregowo z cewkami włącza się oporniki wykonane np. z manganianu. Amperomierze wielozakresowe mają cewki nieruchome, podzielone na 2 lub 4 sekcje. W tym ostatnim przypadku łącząc sekcje szeregowo, równolegle lub szeregowo – równolegle, otrzymuje się 3 zakresy pomiarowe o stosunku prądów 1 – 4 – 2. Boczników nie stosuje się. Zakresy od 1mA do 50A.

Zmiana zakresu woltomierza:

Woltomierze wielozakresowe mają oporniki dodatkowe (zwiększające zakres maksymalnie do 4xU_n ze względu na pobór mocy) lub cewkę nieruchomą podzieloną na 2 albo 4 przełączane sekcje. Najmniejszy zakres pomiarowy wynosi 7,5 V a największy 750V.

Wpływ czynników zew.:

częstotliwościowe błędy: indukowanie się prądów wirowych. Wytwarzają one własny moment przeciwny do momentu napędowego cewki. Zmiana reaktancji cewek. Początkowo mała, rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Wzajemna indukcja cewek miernika.

Pole: duża wrażliwość na pola obce ze względu na małą idukcję własną.

Temp: Błędy wynikają ze zmian sprężystości sprężynek zwrotnych.

Watomierz elektrodynamiczny:

Stosuje się do pomiaru mocy czynnej, głównie w obwodach prądu przemiennego. Cewka nieruchoma stanowi obwód prądowy watomierza , który włącza się szeregowo w przewód doprowadzający prąd do odbiornika. Cewka ruchoma uzupełniona rezystorem dodatkowym Rd tworzy obwód napięciowy, który włącza się równolegle na napięcie odbiornika. Podziałka watomierza jest równa. W przypadku pomiaru mocy prądu odkształconego w mierniku wytwarzane są momenty tylko prze prądy o jednakowych częstotliwościach w obu cewkach.

Stała watomierza, pojęcie “cos(fi)” watomierza:

Wskazanie w stanie ustalonym opisane jest zależnością P=cw*alfa. Stała watomierza wyznaczana jest z warunków znamionowych i jest określona następująco:

cos(fi) jest znamionowym współczynnikiem mocy watomierza. (fi) jest to kąt między prądem obwodu prądowego i napięciem obwodu napięciowego taki, że przy jednoczesnym osiągnięciu wartości znamionowych tych wielkości, wskazanie watomierza jest równe znamionowemu.

Wzór na błąd “od kąta gamma”:

Kąt gamma jest kątem przesunięcia fazowego między napięciem a prądem płynącym przez cewkę napięciową watomierza.

przy czym: (-)=

GALWANOMETR STATYCZNY:

Galwanometr statyczny jest to przyrząd o ustroju magnetoelektrycznym o bardzo dużej czułości, przeznaczony do wykrywania i pomiaru małych prądów (rzędu 10^-8 A) i napięć stałych (10^-6 V). Różnice konstrukcyjne między miernikami magnetoelektrycznymi a galwanometrami wynikają z tego, że w konstrukcji galwanometru położono szczególny nacisk na uzyskanie dużej czułości (czułość „S” : stosunek odchylenia do prądu) rezygnując z dokładności przetwarzania. Zwiększenie czułości uzyskuje się przez zwiększenie momentu napędowego, ale przede wszystkim przez zmniejszen ie momentu zwrotnego.

WOLTOMIERZ IMPULSOWO-CZASOWY:

Napięcie mierzone U_x jest podawane na komparator. W komparatorze napięcie U_x jest porównywane z napięciem wzorcowym U_N, liniowo narastającym, z generatora napięcia wzorcowego. Początek narastania tego napięcia jest wyznaczany impulsem start (z układu sterowania). Impuls “start” powoduje wyzerowanie licznika impulsów oraz otwiera bramkę elektroniczną, dzięki czemu impulsy o częstotliwości f_N z generatora impulsów wzorcowych są podawane na licznik , gdzie są zliczane. Zliczanie impulsów trwa do momentu zrównania napięcia piłokształtnego U_N z mierzonym U_x, wtedy na wyjściu komparatora pojawia się impuls “stop” zamykający bramkę. Stan licznika jest wyświetlany w postaci cyfrowej w urządzeniu odczytowym.

N_x=f­_N*T_x.,U_N=k*t , U­_Nk*T_x=U_x

WOLTOMIERZ Z PODWÓJNYM CALKOWANIEM:

Okład sterujący w chwili t₀ zeruje licznik, otwiera układ bramkujący impulsy z generatora wzorcowego i przełącza przełącznik w pozycję 1 i podaje badane napięcie U_x na integrator czyli układ całkujący. Badane napięcie U_x jest całkowane przez stały okres T₁ do chwili t₁ do mom entu zapełnienia licznika. Nachylenie krzywej narastającej na wyjściu integratora jest wprost proporcjonalne do napięcia

badanego Ux. W chwili t1 (po czasie T1) na wyjściu integratora panuje napięcie U1

gdzie RC jest stała integratora.

. W momencie t₂­ (po czasie T₂) napięcie na wyjściu integratora jest równe 0 i komparator wysyła sygnał do zamknięcia bramki

WOLTOMIERZ NAPIĘCIE-CZĘSTOTLIWOŚĆ

Na początek należy zauważyć że układ całkujący (integrator) ma dwa oddzielne wejścia (z dzielnymi rezystorami dla napięcia badanego R_x i dla napięcia rozładowującego R_r.Badane napięcie U_x podawane jest do integratora przez rezystor R_x i po czasie T₁ osiąga napięcie UI=UO.

Po osiągnięciu napięcia na wyjściu integratora poziomu równego U0 komparator daje impuls do układu formowania (gdzie formowany jest impuls o szerokości t) oraz do układu generowania impulsu rozładowującego. Układ ten rozładowuje integrator (sprowadza napięcie na wyjściu integratora do zera) w czasie t. Należy zwrócić uwagę że napięcie badane jest ciągle podawane na integrator.

należy zwrócić uwagę że wielkość (t₁-t₀+t) równa jest odstępowi między impulsami T_x

Częstotliwość impulsów f_x jest odwrotnością czasu T_x

KLASY DOKŁADNOŚCI I DOKŁADNOŚĆ POMIARU:

Woltomierz o przetwarzaniu impulsowo – czasowym (metoda zwana też jako metoda zliczania impulsów)

Dokładność pomiaru jest stosunkowa mała i zależy:

• Od liniowości napięcia wzorcowego,

• Od stabilności częstotliwości generatora impulsów wzorcowych,

• Od czułości komparatora

Woltomierz mierzy wartość chwilową. Przyrządy tak działające, mają prostą budowę. Wykonane są na zakresy od 1mV do 1kV. Graniczny błąd wskazań tego typu woltomierzy jest 0,1% 1 cyfra. Ten drugi wskaźnik to błąd zliczania.

Woltomierz o podwójnym całkowaniu.

Błąd tego typu woltomierzy jest uwarunkowany stabilnością i dokładnością napięcia wzorcowego U₀, a prawie wcale nie zależy od dokładności generatora wzorcowego. W woltomierzach tego typu jest osiągana dokładność rzędu od 0,05% do 0,02%

Woltomierz o przetwarzaniu napięcia w częstotliwość.

Z uwagi na to, że woltomierz reaguje na wartość średnią napięcia, nie jest on czuły na zakłócenia w postaci okresowego sygnału symetrycznego (składowa stała tego przebiegu jest zero). Składowa analogowa błędu pomiaru tego typu woltomierzy jest rzędu od 0,01% do 0,1%. O dokładności pomiaru decydują :

• Dokładność dozowań ładunków rozładowujących,

• Nieliniowość integratora

• Niestabilność procesów przejściowych na początku i końcu całkowania

• Niestabilność napięcia U₀

• Błąd komparatora

Woltomierze p przetwarzaniu kompensacyjnym.

Przyczyny błędów charakterystycznych tylko dla woltomierzy kompensacyjnych to :

• Niestabilność i niedokładność napięć wzorcowych

• Próg czułości detektora różnicowego.

Produkowane woltomierze kompensacyjne mają błąd pomiaru rzędu tysięcznej części procenta.

OSCYLOSKOP:

Zasadniczym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, w której strumień elektronów, padając na ekran pokryty luminoforem, powoduje jego świecenie

Efekt zmiany jasności obrazu uzyskuje się poprzez regulację potencjału siatki S1, która steruje ilością elektronów przepuszczanych w kierunku ekranu. Zespół anod A1 A2 tworzy soczewkę elektrostatyczną, której zadaniem jest odpowiednie skupienie oraz przyspieszenie strumienia elektronów.Jedną z cech lampy jest jej czułość

RODZAJE ROZCIĄGÓW:

Odchylanie plamki na ekranie lampy oscyloskopowej w funkcji czasu (w kierunku osi X) nazywa się rozciągiem. Układy realizujące ten rozciąg są nazywane układami podstawy czasu. Rozróżnia się dwie grupy rozciągów: rozciąg liniowy i rozciągi nieliniowe.

Aby odchylenie plamki w kierunku poziomym było wprost propor­cjonalne do czasu, należy doprowadzić do płytek X napięcie narastające liniowo w funkcji czasu. Ponieważ ekran lampy ma skończone wymiary, przeto plamka po dojściu do prawego skraju pola pomiarowego musi wrócić, a napięcie odchylające powinno zmaleć do swej wartości początkowej. Ufor­mowane w taki sposób napięcie nazywa się piłokształtnym, a odchylanie plamki w poziomie — rozciągiem liniowym.

Jeżeli do płytek odchylających w poziomie jest doprowadzone napięcie piłokształtne okresowe, to obserwator widzi na ekranie linię poziomą. Jeżeli równocześnie do płytek Y doprowadzi się napięcie badane, to plamka wykonuje ruch będący wypadkową odchylania poziomego i pionowego kreśląc na ekranie krzywą przebiegu w funkcji czasu.

Częstotliwość i faza napięcia rozciągu liniowego muszą być dokładnie zsynchronizowane z częstotliwością i fazą napięcia badanego, w przeciwnym bowiem razie nie można uzyskać stojącego obrazu na ekranie. Spośród rozciągów nieliniowych najczęściej jest stosowany rozciąg kołowy. Pod jego wpływem strumień zatacza na ekranie koło, dając wykres we współrzędnych biegunowych. Aby otrzymać taki rozciąg, do płytek odchylania pionowego i poziomego należy doprowadzić napięcia o jednakowej częstot­liwości, lecz przesunięte w fazie o n/2.