MJEŠOVITA SREDNJA TEHNIČKA ŠKOLA TRAVNIK

Električna mjerenja za IV razred

RADNI MATERIJAL ZA VANREDNE UČENIKE - POLAZNIKE

(PRIVREMENI MATERIJAL – INTERNO)

- Decembar, 2010. -

1. Mjerni kompenzatori

Osim mjerenja sa mjernim instrumentima sa direktnim očitavanjem, izvode se električna mjerenja i mjernim metodama koje omogućavaju usporedbu poznatih i nepoznatih veličina. Za uspoređivanje je potreban indikator koji se podešava da ostane bez otklona na način što se podešava poznata veličina.

Kompenzacionim metodama se određuje nepoznati napon ili pad napona poređenjem 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 pokaže nulu. Tada je nepoznati napon jednak poznatom. Za vrijeme mjerenja mjerni izvor ostaje neopterećen, jer je struja 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 služi za mjerenje nepoznatog istosmjernog napona.

Slika 1. Osnovni spoj kompenzatora

U pomoćnom krugu struju Ip podešavamo pomoću etalonskog elementa. Preklopku (P) postavljamo najprije u položaj (1) gdje se upoređuje napon (UN) etalonskog elementa s padom napona na potenciometru. Otporom (RP) mijenjamo struju (IP)u pomoćnom krugu sve dok nul-indikator ne ostane bez otklona. Tada je napon etalonskog elementa jednak padu napona na otporu (R1) između tačaka (A-C) potenciometra:

U N=I P⋅R1 (1.1)

2

Kako su (R1) i (UN) tačno poznati moguće je pouzdano određivanje pomoćne struje.

Poslije ovoga preklopnik prebacujemo u položaj (2) te, mijenjajući otpor (RP) tražimo položaj klizača (C) pri kojem će nul-indikator ostati bez otklona. Ako pri tome otpor između tačaka (A) i (C) potenciometra iznosi (R2) bit će:

U X=I P⋅R2 (1.2)

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

U X=U N⋅R2

R1 (1.3)Za struju (IP) se obično odbire (0,1 mA) ili (1mA). To se postiže kada kod etalonskog

elementa, čiji je napon (UN=1,01865 V)odaberemo (R1=10186,5 Ω). Tada je izračunavanje mjerenog napona jednostavno:

U X=10−4⋅R2 (1.4)

Utvrdili smo da se pomoćna struja ne smije mijenjati za vrijeme mjerenja napona (UX). To postižemo pouzdanom baterijom, temperaturno ovisnim otporima u pomoćnom krugu i dobrim kontaktima na klizačima preklopnika.

Kompenzatori za izmjeničnu struju

Kompenzacione metode se mogu koristiti i za usporedbu izmjeničnih napona. Kod izmjenične struje se za postizanje ravnoteže mjerni i kompenzacioni naponi moraju izjednačiti i po veličini i po frekvenciji i po fazi. Velika tačnost na području istosmjerne struje se postiže direktnim upoređivanjem mjerenog napona s naponom etalonskog elementa. Kod izmjenične struje ne postoji odgovarajući etalon napona. Velika tačnost se može ostvariti samo pri utvrđivanju odnosa veličina mjerenog i kompenzacionog napona i njihovog međusobnog faznog pomaka. Određivanje veličine mjerenog napona se oslanja na pokazivanje mjernog instrumenta s kojim s podešava pomoćna struja kompenzatora, kao i kod kompenzatora za istosmjernu struju.

3

Kompenzator s termopretvaračem

Istosmjerni napon termopretvarača proporcionalan je snazi (I2R) utrošenoj na zagrevnoj termo-žici. Iste rezultate dobijemo grijući žicu istosmjernom ili izmjeničnom strujom ako su jednake efektivne vrijednosti struja. (Razlika se pojavljuje na vrlo visokim frekvencijama jer se zbog skin efekta znatno povećava aktivni otpor žice). Na slici 2 prikazana je pojednostavljena shema jednog izmjeničnog kompenzatora sa termopretvaračem.

Slika 2. Izmjenični kompenzator sa termopretvaračem –Baždarenje istosmjernom strujom

U pomoćnom istosmjernom kompenzacionom krugu podešava se struja (IP) otporom (RP) na određenu vrijednost, tako da pad napona na otporu (RN) jednak naponu (UN) etalonskog elementa, kao i kod istosmjernih kompenzatora. Za pomoćnu struju (IP) obično se uzima (10mA). Pomoćna struja teče kroz zagrijevnu žicu termopretvarača (TP) koji se grije te na stezaljkama termoelementanastaje istosmjerni napon koji se kompenzira padom napona na otporu (R) između klizača (klizači se pomiču dok nul-indikator N2 ne pokaže nulu). Zatim se zagrijana žica termopretvarača priključuje izmjenični strujni krug, a otpor (Rd) u istosmjerni.

Otpor (RD) je jednak otporu zagrijevne žice termopretvarača tako da ovo prespajanje ne izaziva promjenu struje (IP). Ne mijenjajući otpor (R) sada se podešava struja u izmjeničnom krugu sve dok nul-indikator ne pokaže nulu.

4

Slika 3. Izmjenični kompenzator sa termopretvaračem –Mjerenje izmjeničnog napona

Tada kroz zagrijevnu žicu termopretvarača teče struja iste efektivne vrijednosti (IP) kao i pri prvom podešavanju, pa je mjereni izmjenični napon:

U X=I P (Ri+Rd ) (1.5)

2. Analogni indikatori

Često je potrebno da se neka posmatrana pojava trajno zabilježi pa se naprave koje to omogućavaju zovu registrirajuće. One su često priključene na indikator a mogu i samostalno biti priključene na izlaz mjerne naprave. Zapis se može provesti na papirnoj traci - tintom, na specijalnom papiru – toplinom, ili na fotografskom papiru utjecajem svjetlosnog snopa, odnosno na magnetskoj traci.

Pisači

Ako je potrebno pratiti trenutne vrijednosti struje kroz pomični namotaj, tj. ako se žele registrirati 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 način zabilježe, npr. npr. na papiru,pa je potrebno u tom slučaju izvesti kazaljku kao pisaljku. Cijeli sistem permanentnog magneta pomičnog namotaja sa pisaljkom zove se pisačem.

5

Slika 4. Pisač sa pisaljkom

S momentom izazvanim strujom kroz namotaj (M) drže ravnotežu moment izazvan krutošću opruge (MC), moment inercije (Mi) i moment trenja (Mt). Pisač sa pisaljkom prema slici 3 ne može imati veću rezonantnu frekvenciju od 150 Hz. Iako najveći broj pisača upotrebljava za registraciju tintu, za neke od njih koristi se poseban papir koji se sastoji od dva sloja: podloge od tamnog papira i površinskog sloja od lako topljivog bijelog materijala (voska ili posebne plastike). Pisaljka na svom donjem dijelu ima razapetu nit koja se električnom strujom grije i topi gornji bijeli sloj, tako da ostaje kao trag donji sloj papira. Postoje izvedbe s pisaljkom od metalne tanke šipke koja preko indiga ostavlja trag na papiru. Na taj način se izbjegava mokar trag tinte, iako zapis nije jako kontrastan. Rezonantna frekvencija je ovom slučaju malo veća i iznosi oko 200 Hz. Da bi se postigla veća granična frekvencija potpuno je odbačena pisaljka (koja najviše doprinosi momentu inercije). Mlaz tinte se štrca pod velikim pritiskom na papir.

Slika 5. Pisač sa mlazom tinte

6

Tako je masa pisaljke zamijenjena mnogo manjom masom tinte. I pokretni sistem je u tom slučaju manjih dimenzija. Izvodi se od rotirajućeg permanentnog magneta učvršćenog između dvije torzione niti u polju elektromagneta pobuđivanog strujama iz pojačala. Kroz rotirajući permanentni magnet prolazi kapilara koja je na vrhu savijena da usmjeri mlaz tinte na papir. Pritisak mlaza se kreće u granicama (2,5-6) MPa što ovisi o brzini pisanja. Ako je brzina veća potreban je veći pritisak. Granična frekvencija mu je oko 700 Hz.

3. Digitalni indikatori

LED (light – emitting diode) indikator

Za prikazivanje mjernog rezultata mogu da se upotrebe i skupine svijetlećih (LED) dioda. Kada je LED (svijetleća dioda) propusno polarizirana - šupljine injektiraju u N-područje a elektroni u P-područje i pri tzv. direktnoj rekombinaciji elektrona i šupljina dolazi do emitovanja svjetla. (U direktnoj rekombinaciji elektron koji je u vodljivom energetskom pojasu može direktno preći u valentni pojas pri čemu se emituje foton svjetlosti. Takvo svojstvo imaju tzv. direktni poluvodiči; npr. galij-arsenid GaAs). Kako je PN spoj malih dimenzija, svjetleće su diode „tačkasti“ izvori svjetlosti. Da bi se dobilo svijetljenje jednog segmenta, potrebno je da ih unutar jednog segmenta bude više (npr. 3-6). Na slici.... je prikazan sastav jedne sedmosegmentne znamenke od svijetlećih dioda (u ovom slučaju 42). Svijetleće diode se primjenjuju kao pogodni alfanumerički indikatori u mjernim uređajima zbog malog pogonskog napona, malih dimenzija i mogućnosti da se izvode u integralnoj tehnici. Nedostatak je velika potrošnja struje po segmentu, koja nije manja od 4 mA, uz 1,7 V što iznosi 7mW. Ako indikator ima četiri cifre sa upaljenim svim segmentima to znači potrošnju od: 4x7x4=112mA.

Slika 6. Izvedba 7-segmentnog indikatora sa svijetlećim diodama

7

Indikatori sa tečnim kristalilma LCD (liquid – cristal – display)

Neke organske materije s benzolovom strukturom molekula u tekućem stanju pokazuju izvjestan red među molekulama pa su u nekom smislu slične kristalima. Molekule tih materijala su štapičastog oblika i asimetrične građe tako da im centri pozitivnog i negativnog naboja ne padaju u istu tačku pa formiraju električni dipol. Zbog navedenih svojstava i međumolekularnih sila ove molekule tečnih kristala zauzimaju isti međusobno paralelni smjer u prostoru,u kojem su smještene. To je najčešće smjer okomit na elektrode a to zavisi od obrađenosti površine elektroda sa njihove unutrašnje strane (slika....), kada smjer molekula može biti i kos prema elektrodi. Pod utjecajem električnog polja dipoli mijenjaju svoj smjer, a osim toga izvjestan broj električnih naboja svojim kretanjem uzrokuje lokalne poremećaje u električnom polju, što ruši postojeći red među molekulama i ima kao posljedicu turbulenciju - odnosno difuzno raspršavanje svjetla kroz tekuće kristale.

Slika 7. Prolaz svjetla kroz sloj tekućih kristala – Izvedba sa dinamičkim raspršenjem

Tekući kristali ne predstavljaju ni krutu,ni tekuću fazu i mogu da se nađu u više međufaza (mezofaza). U slučaju da se žele upotrijebiti kao indikatori koji su ovisni o električnom polju koristi se njihova nomatička međufaza pri kojoj su duže osi molekula međusobno paralelne. Tekući kristali se smještaju između prozirnih i električki vodljivih elektroda. Razmak između tih elektroda je svega (6-25) μm. Dok ne djeluje električno polje, taj tanki sloj tekućih kristala je proziran. Pod djelovanjem električnog polja nastaje turbulencija i raspršavanje svjetla. Sloj tada izgleda kao „zamrznuto staklo“. Do efekta raspršavanja svjetla dolazi samo u području djelovanja električnog polja koje je određeno oblikom i površinom elektroda. Na jednoj strani sloja tekućih kristala nalazi se sedam segmenata, koji su izvedeni kao prozirne – električki vodljive elektrode, dok druga strana sloja ima prozirnu vidljivu elektrodu pravokutnog oblika a ona pokriva površinu svih sedam segmenata. Na taj je način električno polje ograničeno na segmente a ne na dovode do segmenata. Izvedba indikatora prikazana je na slici 9. Osim opisanog načina primjene tekućih kristala, koji je poznat kao dinamičko raspršenje, postoji još jedan način koji se koristi polarizacijom svjetla, pri čemu se s vanjske strane elektroda postavljaju polarizatori.

U tom su slučaju molekule tekućeg kristala raspoređene spiralno – pa svjetlo prolazi kroz njih zaokrečući ravan plarizacije kroz unakrsno smještene polarizatore. Djelovanjem

8

električnog polja molekule se zaokrenu, što ima za posljedicu – neprolaženje svjetla kroz polarizatore (Slika 8).

Slika 8. Prolaz svjetla kroz sloj tekućih kristala – Izvedba sa polarizatorima

Slika 9. Izvedba indikatora sa tekućim kristalima

4. Mjerenje neelektričnih veličina električnim postupcima

9

Primjena električnih mjernih instrumenata i mjernih metoda može da se proširi i za mjerenja različitih neelektričnih veličina koje se prvo trebaju pretvoriti u električne. U automatskoj regulaciji neelektričnih veličina električnim postupcima (što je posebno značajno u industriji) ovakvo rješenje postaje neophodno. Pretvaranje neelektričnih veličina u električne se ostvaruje pomoću pretvarača. Kod pojedinih pretvarača mjerena neelektrična veličina izaziva direktno ili indirektno,promjenu prikladnog otpora, kapaciteta, induktiviteta ili međuinduktiviteta. Oni trebaju da budu što jednostavnije, pouzdanije i trajnije konstrukcije i da osiguravaju jednoznačnu linearnu zavisnost između mjerene neelektrične i dobivene električne veličine.

Pasivni otporni mjerni pretvarači

Kod otpornih pretvarača za mjerenje pomjeraja mjerena veličina izaziva pomak klizača čime se dakle mijenja i otpornost u strujnom krugu otpornog pretvarača (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 žica otpora 10Ω. Prstenasta cijev je do polovine ispunjena živom iznad koje se nalazi vodik. Presjek žice je velik tako da je dio platinske žice praktički kratko spojen, pa zakretanje prstena oko centra „O“ mijenja otpor između tačaka priključaka (A-C) i (C-B). Ova izvedba je dobro zaštićena od prljavštine, ima pouzdan kontakt ali je osjetljiva na potrese.

Slika 10. Otporni pretvarač sa klizačem:(1-žičani namot; 2-klizač; 3-povratna opruga; 4-poluga za pomak)

Za mjerenje temperature koriste se tzv. otporni termometri kod kojih mjerena temperatura mijenja otpor žičanog ili poluvodičkog otpornika. Za mjerenje temperatura od: (-220oC do +750oC) koriste se žicani otporni termoelementi izrađeni obično od platinske ili nikalne žice. Jedan tipični otporni termoelement prikazan je na slici 12.

10

Slika 11. Otporni pretvarač sa prstenastom cijevi i živom

Otporna žica namotana je na tijelo od izoacionog materijala otpornog na temperaturu (keramika, staklo, tinjci) i prekrivena keramikom ili staklom. Uložak sa otpornog žicom ugrađuje se u zaštitnu cijev kako bi se obezbijedila zaštita od mehaničkih i hemijskih utjecaja.

Slika 12. Otporni termometar

Mjerenje otpora otpornih termoelemenata obavlja se pomoću instrumenata sa unakrsnim namotajima, a za precizna laboratorijska mjerenja se koristi ili Wheatstoneov most ili istosmjerni kompenzator. Kao otporni elementi koriste se i poluvodiči. Oni imaju uglavnom negativan temperaturni koeficijent.

1- mjerni otpornici2- unutarnji vodovi3- prirubnica za pričvršćenje4- zaštitna cijev5- priključne stezaljke6- priključna glava

11

Induktivni mjerni pretvarač

Rad induktivnih mjernih pretvarača osniva se na promjeni induktiviteta pod utjecajem mjerene neelektrične veličine. Sama promjena induktiviteta postiže se promjenom reaktanse namotaja ili promjenom broja zavojaka. Široka je primjena ovih mjernih pretvarača. U nekim izvedbama promjena reaktanse se ostvaruje pomakom jezgra prema namoti (slike 13 i 14).

Slika 13. Mjerna kutija vage sa rasteznim Slika 14. Ovisnost R, X, Z ... o položaju mjernim trakama jezgre u namotu

Promjene induktiviteta, a time i reaktanse jednog namota, koje nastaju kod pomicanja jezgre su male, pa se koriste rješenja u kojima pomicanje jezgre dovodi do povećanja jednog, a smanjenja induktiviteta drugog namota. Spajanjem namota u mosni spoj postiže se veća osjetljivost i tačnost.

Slika 15. Ovisnost struje dijagonale o položaju jezgre kod

12

namota u mosnom spojuKondenzatorski mjerni pretvarač

Rad mu se zasniva na promjeni njegovog kapaciteta pod utjecajem mjerene veličine. Promjena kapaciteta može nastati zbog promjene razmaka elektroda ili zbog promjene njihovih djelujućih površina. Ovakve se izvedbe koriste za mjerenje pomaka, sile, brzine i ubrzanja. Postoje izvedbe u kojima promjenu kapaciteta izaziva promjena dielektričnosti, koja nastaje bilo zamjenom dielektrika, bilo promjenom svojstava dielektrika pod utjecajem vanjskih uzroka (temperature, vlage,..itd). Na osnovu poznate dielektričnosti može se mjeriti debljina neke tvari, nivo tekućine, može se odrediti količina primjese – ako se njena dielektričnost znatno razlikuje od dielektričnosti osnovne komponente.

Aktivni mjerni pretvarači:

Termoelektrični pretvarači

Ovi se pretvarači koriste za mjerenje temperature od oko -200oC do +1600oC, a rad im se osniva na termoelektričnom efektu.

Slika 16. Termonaponii najčešće primjenjivanih termoparova

1- priključna glava2- priključne stezaljke3- pridržni prsten4- pridržna cijev5- prirubnica6- zaštitna cijev7- izolacione cjevčice8- termopar

13

Slika 17. Termoelement

Zagrijavanjem mjesta na kojem se dodiruju dva različita metala ili legure, na slobodnim krajevima se javlja termoelektrični napon koji ovsi o temperaturnoj razlici zagrijanog spojišta i hladnih krajeva ali i od vrste upotrebljenih metala (legura). Dobre kombinacije su parovi: bakar-konstantan, željezo-konstantan, nikalkrom-nikal i platinarodij-platina. Karakteristike ovih parova prikazane su na slici 16. Odabir odgovarajuće kombinacije zavisi od visine mjerene temperature i od otpornosti termoparova prema mjerenom mediju. Za povećanje mehaničke otpornosti termoparova i otpornosti prema hemijskim utjecajima termopar se zaštićuje metalnom ili keramičkom cjevčicom. Na slici 17 prikazan je jedan termopar (termoelement) sa zaštitnom cijevi.

Kako napon termoelementa zavisi od razlike temperatura između zagrijanog i hladnog kraja, instrument koji mjeri napon može da se izbaždari tako da pokazuje temperaturu hladnog kraja. Za temperaturu poredbenog mjesta može se uzeti ili 00C ili sobna temperatura (200C). Posebnim spojem se postiže da pokazivanje instrumenta ne ovisi o temperaturi poredbenog mjesta. Wheatstoneov most, sastavljen od tri temperaturno neovisna otpora i temperaturno ovisnog otpora smještenog na poredbeno mjesto termoelementa (na nekoj određenoj temperaturi poredbenog mjesta most je uravnotežen), u djagonali se nalazi termoelement i mjerni instrument. Odgovarajućim podešavanjem mosta može se postići da napon njegove dijagonale nadoknadi promjenu napona termoelementa. Napon termoelementa iznosi od 5mV do 50mV i može da se mjeri kompenzatorima ili milivoltmertima.

14

5. AUTOMATSKI MJERNI SISTEMI

Automatski mjerni sistemi su računarski upravljani mjerni sistemi. Centralni procesor izvršava programske instrukcije koje prenose, izračunavaju i upoređuju podatke. Program može i da prima podatke sa perifernih organa ili da šalje izlaz na periferne organe. To mogu biti:

1. mjerni instrument2. štampač3. tastatura4. monitor i dr.

Povezivanje mjerne opreme i računara vrši se pomoću magistrale. Magistrala predstavlja veći broj vodiča (npr.16) na koje su paralelno vezani automatizovani izvori napajanja i elektronički instrumenti. U primjeni magstrale jednim višežilnim kablom se ide od računara do prvog instrumenta, drugim višežilnim kablom od prvog do drugog instrumenta,... itd, pri čemu se kablovi nastavljaju jedan na drugi preko priključaka na instrumentu i tako mobrazuju magistralu. Osnovna prednost magistrale je što ona standardizuje namjenu pojedinih vodiča koji povezuju računar sa instrumentima i što su svi kablovi za povezivanje jednaki – u svakom kablu npr. vodiči br. (1-8) služe za slanje podataka, vodiči br. (9-13) služe za upravljanje, itd. Na taj način ne može doći do zamjene pojedinih kablova ili do miješanja pojedinih priključaka. Pored toga je i način komunikacije između računara i pojedinih instrumenata standardizovan.

Mjerenja u automatskom mjernom sistemu obavljaju se na temelju programa koji se pokreće na računaru. Npr, algoritam za mjerenje pojačanja NF pojačala na 1 kHz. Neka se ovo mjerenje obavlja uz uvjet da se na zvučniku od 8 Ω dobije snaga od 2 W, i neka se očekuje da je pojačanje pojačala oko 40 dB. Znači, 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 da izgleda ovako:

1. Postaviti NF generator na 1 kHz2. Staviti izlaz NF generatora na G=20 mV3. Izmjeriti napon na zvučniku i zapamtiti ga kao V4. Ako je V<4 V, ići na tačku 6 algoritma5. Ako je V>4 V, ići na tačku 8 algoritma6. Povećati G za 1 mV7. Ići na tačku 3 algoritma8. Izračunati koliko je pojačanje pojačala dobiveno kada se 4 V podijeli sa zadanom

vrijednošću ulaznog napona G9. Izračunatu vrijednost za pojačanje izraziti u dB10. Preći na sljedeće mjerenje

Pri izvršavanju ovog algoritma, automatski mjerni sistem polazi sa malim ulaznim naponom (20 mV), uz pretpostavku da će se tada svakako dobiti da je izlazni napon manji od zahtijevanih 4 V (da će se proći kroz petlju algoritma: 3,4,6,7 i natzad u 3). Pri svakom prolazu kroz petlju napon iz NF generatora se povećava za 1 mV, mjeri se napon na zvučniku, ako je taj napon manji od 4 V, ponavlja se petlja uz dalje povećavanje napona generatora. Ovakvim postepenim povećavanjem napona na izlazu generatora postići će se u jednom momentu da napon na zvučniku bude: V>4 V, i tada će se izaći iz petlje i otići na tačku 8 algoritma, gdje će se izračunati pojačanje pojačala.

15

Slika 18. Upotreba magistrala za povezivanje instrumenata

Slika 19. Povezivanje instrumenata u automatskom mjernom sistemu

16

Literatura:

[1] Zdravko Vrsalović, “Električna mjerenja” (IV razred elektrotehničke škole), Ljiljan, Sarajevo, 1998.

17