Hallotron. Działanie i zastosowanie.

Hallotron jest półprzewodnikowym elementem mnożącym. W normalnym wykonaniu jest to cienka płytka prostopadłościenna wykonana z półprzewodnika mono- lub polikrystalicznego, o dwóch parach wzajemnie prostopadłych doprowadzeń (elektrod), usytuowanych tak, jak to pokazuje rysunek:

Jedna para doprowadzeń (1 i 2) - prądowa - służy do doprowadzenia prądu sterującego, a druga (3 i 4) - napięciowa - do odprowadzenia napięcia Halla.

Działanie

Jeśli przez płytkę popłynie prąd o wartości I_s oraz oddziałuje na nią pole magnetyczne, którego składowa prostopadła indukcyjności wynosi B, to między elektrodami napięciowymi nieobciążonego czujnika powstaje różnica potencjałów:

R_H - współ. Halla

d - grubość płytki

I_S - natężenie prądu sterującego

B- indukcja pola magnetycznego.

Zastosowanie

Hallotrony są stosowane przede wszystkim do pomiaru indukcji i natężenia pola magnetycznego, pomiaru prądów stałych o dużych natężeniach oraz w przetwornikach mocy, faz i także w układach modulatorów i demodulatorów słabych sygnałów.

Tensometr napięciowo oporowy. Działanie i zastosowanie.

Tensometr jest to opornik wykonany z cienkiego drutu lub folii metalowej, przyklejony na cienkim podłożu izolacyjnym.

Przykładowy tensometr drutowy.

Pod wpływem rozciągania lub ściskania tensometru ulega zmianie rezystancja drutu. Czułość tensometru określa stosunek względnej zmiany rezystancji do względnego wydłużenia.

Tensometry drutowe wykonuje się z konstantanu, nichromu i z innych stopów. Mają one długość od kilku do kilkudziesięciu milimetrów, a rezystancje od kilkudziesięciu do kilkuset omów.

Układem pomiarowym jest mostek rezystancyjny zasilany prądem stałym lub przemiennym. Zmiana rezystancji
czujnika jest miarą wydłużenia jednostkowego
i związanego z nim modułem Younga E natężenia w konstrukcji. Zmiany rezystancji tensometrów metalowych przy dopuszczalnym natężeniu nie przekraczają 0,5%. Istotne jest, więc eliminowanie wpływu temperatury na wynik pomiaru. Dobre rezultaty osiąga się w układzie z dwoma jednakowymi tensometrami włączonymi w dwa ramiona mostka.

Oba czujniki R_t1 i R_t2 znajdują się w jednakowych warunkach temperaturowych, lecz tylko jeden podlega naprężeniom.

Zastosowanie

Tensometry znalazły zastosowanie w pomiarach różnych wielkości mechanicznych. Mierzy się nimi odkształcenia elementów konstrukcyjnych wiązane z nimi naprężenia rozciągające lub ściskające, siły, momenty, ciśnienia w stanach statycznych i dynamicznych.

MOSTKI MAXWELLA - JAK I CO MOŻNA MIERZYĆ, WSKAŹNIKI RÓWNOWAGI, JAKIE MOGĄ BYĆ, BŁĄD NIECZUŁOŚCI I INNE.

Mostek Maxwella służy do pomiaru indukcyjności własnej obwodów liniowych (nie zawierających rdzeni ferromagnetycznych), oraz rezystancji cewek powierzchniowych.

Indukcyjność mierzoną L_x porównuje się w mostku z indukcyjnością wzorcową L_w. Indukcyjność Indukcyjność rezystancję badanego obwodu wyznaczają wzory:

Są to warunki równowagi mostka.

Mostek osiąga stan równowagi tylko w przypadku równości stałych czasowych elementu mierzonego i wzorca indukcyjności. Równość taka zachodzi bardzo rzadko. Wprowadza się więc w mostek dodatkowy regulowany opornik r, który włącza się przełącznikiem w ramię R_X lub R_w zależnie od tego które z ramion ma większą stałą czasową. Jeśli L_X/R_X>L_W/R_W, to po ustawieniu przełącznika w pozycji 1 przez regulację r osiąga się:

W praktyce proces równoważenia mostka zaczyna się od zerowej wartości r i ustawieniu P w dowolnej pozycji. Zmieniając rezystancję R₃, sprowadza się wskazanie galwanometru na wartość minimalną, a następnie zwiększając rezystancję r obserwuje się odchylenie wskaźnika równowagi. Jeśli wzrost wartości r od zera powoduje zmniejszanie napięcia nierównowagi, to znaczy, że przełączniki P jest ustawiony we właściwym położeniu.

Błąd nieczułości

Czułość mostka zależy od trzech czynników: parametrów źródła zasilania, parametrów wskaźnika równowagi i od doboru impedancji ramion mostka. Przy stosowaniu elektronicznych wskaźników równowagi zwykle wyznacza się czułość względną napięciową:

Inne błędy

Wynikają z:

-niedokładności elementów mostka

-niedostatecznej czułości mostka

-wpływu szkodliwych sprzężeń i zakłóceń (występują między elementami mostka, powodują powstawanie prądów, które nie były uwzględnione przy rozpatrywaniu układu)

Temperatura jako obiekt pomiarowy i źródło zakłóceń.

1. Jak mierzyć temperaturę metodami elektrycznymi?

W procesach przemysłowych i badaniach laboratoryjnych pomiary temperatury wykonuje się najczęściej metodami elektrycznymi. Używane są dwie grupy czujników termoelektrycznych:

- czujniki parametryczne, w których wykorzystuje się wpływ temperatury T na rezystywność q przewodników lub półprzewodników, przenikalność mag­netyczną μ materiałów ferromagnetycznych, na przenikalność elektryczną ε dielektryka oraz wpływ temperatury na napięcie przewodzenia złącza półprzewodnikowego;

- czujniki generacyjne, tzw. termoelementy, stanowią ogniwa termoelektryczne,
których napięcie termoelektryczne E (siła termoelektryczna) zależy od
różnicy temperatur.

W elektrycznych pomiarach temperatury są stosowane najczęściej czujniki termorezystancyjne i termoelementy.

Do czujników termorezystancyjnych zalicza się termorezystory i termistory.

Najczęściej są używane termorezystory platynowe, niklowe i miedziane. Najbardziej dokładne są termorezystory platynowe, gdyż odgrywają one ważną rolę w technice pomiarowej - umożliwiają one dokładne odtworzenie międzynarodowej praktycznej skali temperatury.

Termistory są to rezystory półprzewodnikowe wykonane z tlenków żelaza, niklu, litu i tytanu. Są one produkowane w postaci krążków, prętów, itp. Z metalowymi wyprowadzeniami. Rezystancja termistorów maleje wykładniczo ze wzrostem temperatury według zależności.

T- temperatura w skali bezwzględnej

A,B- stałe materiałowe

Temperaturowy współczynnik rezystancji termistora:

Pewną odmianę termistorów stanowią pozystory, charakteryzują się one bardzo znacznym przyrostem rezystancji w niewielkim przedziale temperatury.

Drugą grupę czujników temperaturowych, często stosowanych stanowią teromogniwa, zwane termoelementami. Działanie termoelementu opiera się na zjawisku termoelektrycznym Pletiera i Thomsona, polegającym na powstawaniu napięcia elektrycznego obwodzie zawierającym różne metale, których złącza znajdują się w niejednakowych temperaturach. W obwodzie termoelementu pojawiają się dwa napięcia kontaktowe przeciwnie skierowane. Przy jednakowej temperaturze złącz oba napięcia kontaktowe kompensują się. Przy różnych temperaturach pojawia się różnica potencjałów E(T) zwana napięciem termoelektrycznym (siłą termoelektryczną). Napięcie to jest proporcjonalne do różnicy temperatur obu złącz.

E(T) = a(T_X-T₀)

Z JAKIEGO USTROJU ZBU-DOWANY JEST WATOMIERZ A JAK WATOMIERZ.

Zasada działania i budowa ustroju

Działanie ustroju elektrodynamicznego jest oparte na wykorzys­taniu sił występujących między przewodami, w których płyną prądy.

Schemat ustroju elektrodynamicznego.

W polu magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w cewce nieruchomej znajduje się cewka ruchoma. Prąd do cewki ruchomej jest do­prowadzony za pomocą dwu sprężyn spiralnych lub za pomocą taśm zawieszeniowych wytwarzających jednocześnie moment zwracający. Między bokami cewek występują siły wytwarzające moment napędowy. Moment ten obraca cewkę ruchomą tak, aby kierunki pól magnetycznych obu cewek były zgodne.

Przy jednoczesnej zmianie kierunku przepływu prądów w cewkach, kierunek momentu napędowego, a więc i kierunek odchylenia, pozostaje bez zmian. Z ustroju można, więc korzystać zarówno przy prądzie stałym, jak i przemiennym, pod warunkiem utrzymania jednakowej częstotliwości prądów w obu cewkach.

Strumień magnetyczny cewki nieruchomej ustroju elektrodynamicz­nego jest mały. Mały jest, więc również moment napędowy, a co za tym idzie duże są wpływy czynników zewnętrznych na pracę ustroju.

Wprowadzenie materiału ferromagnetycznego do obwodu magnetycz­nego ustroju elektrodynamicznego pozwala zwiększyć strumień magnetyczny cewki nieruchomej bez zwiększenia mocy pobieranej z obwodu kontrolowanego. Ustroje o takiej konstrukcji są nazywane ustrojami ferrodynamicznymi. Mają one większe momenty napędowe niż ustroje elektrodynamiczne i są od nich bardziej wytrzymałe mechanicznie.

Ustrój ferrodynamiczny

Cewka nieruchoma ustroju jest nawinięta w dwóch sekcjach połączonych ze sobą szeregowo-przeciwsobnie. Strumień wytworzony przez prąd płynący w obu sekcjach zamyka się przez rdzeń wykonany z blach żelaznych oraz przez szczeliny powietrzne. Cewka ruchoma, do której jest przymocowana wskazówka, obraca się w szczelinie powietrznej. Wprowadzenie żelaza do ustroju poprawia wpraw­dzie jego jakość mechaniczną, ale pogarsza jego właściwości metrologiczne.

Ze względu na duży pobór mocy i złożoną konstrukcję, a w związku z tym na wysoki koszt produkcji, ustroje elektro- i ferrodynamiczne nie są obecnie stosowane do budowy amperomierzy i woltomierzy. Stosuje się je wyłącznie w watomierzach i waromierzach.

JAK I KIEDY WATOMIERZ MOŻE ZMIERZYĆ MOC BIERNĄ?

Aby zmierzyć moc bierną watomierzem należy jego obwód napięciowy przyłączyć do napięcia opóźnionego o kąt π/2 względem napięcia, które wykorzystywane jest do pomiaru mocy czynnej w danej fazie.

Pomiar mocy biernej jednym watomierzem. (stosowany jest w przypadku obciążenia symetrycznego). Obwód napięciowy watomierza jest włączony na napięcie przewodowe, co powoduje, że jego wskazania Q_W są
razy większe od mocy biernej jednej fazy.

Pomiar dwoma watomierzami

Do pomiaru mocy biernej w sieciach trójprzewodowych, przy symetrii napięć zasila­jących, wystarczają dwa watomierze. Sposób ich włączenia jest analogiczny jak stosowany w układzie Arona do pomiaru mocy czynnej, przy czym cewki napięciowe należy w tym przypadku włączyć na odpowiednio dobrane napięcia fazowe.

W stosunku do układu pomiarowego dla mocy czynnej, napięcia w obwodach napię­ciowych watomierzy są obecnie
razy mniejsze, a wiec mierzona moc bierna odbiornika wynosi:

W przypadku obciążenia symetrycznego omawiany układ umożliwia również pomiar mocy czynnej odbiornika trójfazowego, która wynosi:

Pomiar trzema watomierzami

Moc bierna w tej metodzie wynosi:

WARTOŚCI ŚREDNIE, MAKSY-MALNE I SKUTECZNE - ZDE-FINIOWAĆ TE WARTOŚCI DLA PRZEBIEGÓW OKRESOWYCH.

wartość średnia - nazy­wamy średnią arytmetyczną sygnału okresowego dla jednego okresu T:

przyrządy - magnetoelek­tryczne i cyfrowe przyrządy całkujące

wartość skuteczna - sy­gnału okresowego o okresie T nazywamy pierwiastek kwadratowy z wartości średniej kwadratu sygnału dla jednego okresu T;

przyrządy - wyposażone w ustroje elektromagne­tyczne, elektrodynamiczne, elektrostatyczne, cieplne, indukcyjne, oraz magneto­elektryczne wypo-sażone w przetwornik o parabolicznej charakterystyce statycznej.

wartość maksymalna - jeśli mierzony sygnał podlega rejestracji na trwałym nośniku lub obserwacji na ekranie oscyloskopu, to jego amplituda może być wyznaczona na podstawie pomiaru maksymalnej wysokości l_m zarejestrowanej krzywej oraz znajomości stałej C_y użytego przyrządu.

F_m=l_mC_y

przyrządy - magnetoelektryczne wyposażone w prostownik szczytowy w układzie szeregowym lub równoległym.

WOLTOMIERZ Z PO­DWÓJN. CAŁ­KOWA­NIEM

Są najczęściej stoso­wanymi woltomie­rzami cyfrowymi. Zaletą tych wolt. jest prosta konstrukcja, duża dokład­ność od­porność na zakłóce­nia. W wolt. tego typu napięcie jest przetwa­rzane na odstęp czasu w dwóch etapach. W pierwszym etapie napięcie jest dopro­wadzone do wejścia inte­gratora przez czas t₀. W zależności od biegunowości napięcia mierzonego, na­pięcie wyjściowe integra­tora maleje liniowo od zera do wartości -U_c0 lub nara­sta do +U_c0

W drugim etapie przetwa­rzania do wejścia integra­tora doprowadzone jest napięcie wzorcowe U_w o biegunowości przeciwnej niż napię­cie mierzone.

Zatem w tym etapie prze­twarzania napię­cie wej­ściowe inte­gratora narasta li­niowo(lub maleje). Napię­cie wyjściowe integratora jest po­równywane z napię­ciem odniesienia =0. licz­nik zlicza a wskaźnik cyfrowy wskazuje liczbę im­pulsów N, czyli wska­zuje w dziesięt­nym syste­mie liczenia wartość mie­rzonego napięcia U_x. Wy­two­rzony w układzie ste­rującym impuls rozpoczy­nający cykl przetwarzania powo­duje doprowadzenie napięcia mierzonego do wejścia integratora i jedno­cześnie otwar­cie bramki. Po osią­gnięciu przez licznik ponownie stanu zero­wego tzn. zliczeniu liczby impul­sów rów­nej jego pojemno­ści, przesyła on do układu sterującego impuls przenie­sienia koń­czący pierwszy etap przetwarzania.

KRZYWE LISSAJOUS

Jest to metoda znacz­nie dokładniejsza, ale ograni­czona jedynie do sygnałów sinuso­idalnych. W tej meto­dzie następuje porów­nanie dwu częstotli­wości: nieznanej i wzorcowej, przy czym oscyloskop służy jedynie jako wskaź­nik porównania, co powo­duje, że do­kładność metody osiąga dokładność wzorca. W metodzie tej zwanej pośrednią wykorzystuje się fakt, że jednoczesne wyste­rowanie toru Y i X oscylo­skopu dwoma różnymi sygnałami sinusoidalnymi po­woduje powstanie na ekranie krzywych zwanych figurami Lissajous. Kształt krzywych zależy od sto­sunku częstotliwo­ści sy­gnałów dopro­wadzonych dwu wejść i równy liczbie całkowitej to uzy­skany obraz jest nie­ruchomy. Stosunek porównywanych czę­stotliwości nie powi­nien przekraczać wartości od 5 do 10 gdyż przy większych jego wartościach krzywe mogą stać się nieczytelne.

Mierzymy nieznaną rezystancję R zmierzoną metoą techniczną (poprawnie mierzony prąd). Używając następnie mierników magnetoelektrycznych: woltomierz o zakresie 15V klasa 2 i R_we=100Ω, miliamperomierz zakres 60mA klasa 1 R_we=10Ω. Zmierzona wartość U=10V i I=10mA. Podaj wartość R i błąd jej wyznaczenia pochodzący z klasy przyrządu pomiarowego.

względny błąd metody jest zawsze dodatni, a oblicza się go z zależności:

amperomierz dobiera się tak, żeby R_A<<R_X wtedy:

SEM baterii o R_wew=1Ω zmierzono woltomierzem o R_wew=100Ω wynik pomiaru 11,7V. Ile wynosi błąd metody?

Częstotliwość generatora mierzonego oscyloskopem. Częstotliwość badaną do płytek poziomych a częstotliwość wzorcową do pionowych. Przy f_w=350Hz obraz był (nieskończoność). Wyznaczyć f_b i błąd pomiaru.

W sieci trójfazowej, trójprzewodowej obciążonej symetrycznie zmierzono moc układem Arona. Pierwszy watomierz = 1000W drugi = 1000W. Ile wynosi moc czynna, bierna i współczynnik mocy układ połączony w trójkąt.

Do pomiaru napięcia użyto przetwornika o długości 12 bitów (kod dwójkowy) zakres od 0-2V ale po zmierzeniu czynnik stały wynosił 1,7V z zakłóceniami które spowodowały, że trzy ostatnie bity były nieczytelne. Ile wynosi błąd bezwzględny tego pomiaru?

bład bezwzględny pomiaru:

2¹²=4096 - ilość kw. możliwych do zliczenia

układ rozdz. kw.=2/4096=4,883*10^-4V

błąd bazowy: 7*4,8823*10^-4

=3,41796875[mV]

błąd względny: (3,41796875[mV]/1,7V)*100%=0,2%

---