Temat: Budowa, zasada działania oraz rodzaje mierników

Badziak Zbigniew
Kl. III te
Temat: Budowa, zasada działania oraz rodzaje mierników
analogowych i cyfrowych.
1. MIERNIKI ANALOGOWE
Mierniki magnetoelektryczne.
Miernikami magnetoelektrycznymi nazywamy mierniki, w których
odchylenie organu ruchomego następuje w wyniku współdziałania pola
magnetycznego magnesu trwałego i ruchomej cewki, przez którą płynie prąd.
Zasada działania miernika magnetoelektrycznego.
a) ustrój
b) kierunek sił działających na cewkę w polu magnetycznym
1 – magnes trwały, 2 – nabiegunniki, 3 – rdzeń, 4 – szczelina powietrza, 5 –
cewka, 6 – wskazówka, 7 – masy równoważące, 8 – sprężyny, 9 – bocznik,
B – indukcja magnetyczna, F – siły oddziaływania pola, a – szerokość cewki
Magnes trwały z nabiegunnikami, wykonanymi ze stali magnetycznie miękkiej,
stanowi element nieruchomy miernika. Organem ruchomym jest cewka
nawinięta cienkim przewodem miedzianym, izolowanym.
Cewka jest ułożyskowana w taki sposób, aby jej oś obrotu pokrywała się
z osią geometryczną szczeliny obwodu magnetycznego. Do cewki
przymocowana jest wskazówka.
Mierniki elektrodynamiczne
Miernikami elektrodynamicznymi nazywamy mierniki, których
odchylenie organu ruchomego następuje w wyniku oddziaływania
elektrodynamicznego dwóch cewek, przez które płyną prądy.
Zasada działania miernika elektrodynamicznego.
1 – cewka nieruchoma, 2 – cewka ruchoma, I1, I2 – prądy zasilające, F – siła
oddziaływania, H – natężenie pola magnetycznego, R – korektor zera.
Mierniki elektrodynamiczne są używane jako amperomierze, woltomierze i
watomierze do pomiarów przy prądzie stałym oraz przemiennym. Podczas
pomiarów przy prądzie przemiennym mierzą one wartość skuteczną prądu lub
napięcia. Mierniki elektrodynamiczne odznaczają się dużą dokładnością, ale
mają delikatną budowę. Dlatego są też przeważnie używane jako przyrządy
laboratoryjne wysokiej klasy (kl. 0,1; 0,2; 0,5).
Ustrój elektrodynamiczny.
Mierniki elektromagnetyczne.
Zasada działania miernika elektromagnetycznego polega na oddziaływaniu opla
magnetycznego cewki przewodzącej prąd, na ruchomy rdzeń ferromagnetyczny
umieszczony w tym polu.
Zasada działania miernika elektromagnetycznego
1 – rdzeń nieruchomy, 2 – rdzeń ruchomy, 3 – uzwojenie, 4 – tłumik,
5 – kolektor zera.
Wskazówka, połączona z rdzeniem, wskazuje wartość prądu
przepływającego przez cewkę. Im większy prąd przepływa przez cewkę, tym
silniej jest wciągany rdzeń, tym większy jest moment i większe odchylenie
wskazówki. Miernik elektromagnetyczny służy zarówno do pomiaru prądy
stałego jak i wartości skutecznej prądu przemiennego. Mierniki
elektromagnetyczne są budowane jako amperomierze i woltomierze.
Ustrój elektromagnetyczny.
Mierniki indukcyjne.
Zasada działania miernika indukcyjnego polega na oddziaływaniu zmiennych
strumieni magnetycznych na prądy indukowane przez te strumienie w organie
ruchomym miernika. Prądy te mają charakter prądów wirowych. Mierniki
indukcyjne są obecnie używane wyłącznie jako liczniki energii elektrycznej w
obwodach prądu przemiennego.
W szczelinie rdzenia obraca się tarcza aluminiowa osadzona na osi
pionowej. Dwa strumienie magnetyczne przemienne, wytworzone przez cewkę,
którą przepływa prąd elektryczny przemienny, indukują w tarczy prądy wirowe.
Oddziaływanie elektrodynamiczne jednego z tych strumieni na prąd
indukowany przez drugi strumień wywołuje moment napędowy. Moment ten
wprawia tarczę w ruch obrotowy. Prędkość obrotowa tarczy jest proporcjonalna
do wartości momentu napędowego. Magnes trwały, w którego szczelinie obraca
się tarcza, nie dopuszcza do rozbiegania się tarczy (hamuje ją).
Mierniki ferrodynamiczne.
Przetworniki ferrodynamiczne mają dwa niezależne obwody elektryczne
i mogą być zasilane dwoma różnymi prądami.
Prąd I1 płynie przez cewkę nieruchomą wytwarzając proporcjonalne pole
magnetyczne H.
W przetworniku ferrodynamicznym linie pola zamykają się przez niewielką
szczelinę powietrzną i rdzeń z blach ferromagnetycznych. Zastosowanie
rdzenia pogarsza nieco dokładność przetwarzania (występują różnice przy
przetwarzaniu prądów stałych i prądów przemiennych), ale znacznie zmniejsza
moc pobraną przez przetwornik przy pełnym odchyleniu i powiększa odporność
na działanie obcych pól magnetycznych. Prąd I2 jest doprowadzony za pomocą
sprężyn spiralnych do cewki ruchomej, podobnej do cewki przetwornika
magnetoelektrycznego. Sprężyny te służą jednocześnie do wytwarzania
momentu zwrotnego.
Ustrój ferrodynamiczny.
Stała podziałki jest liczbą mianowaną, przez którą należy pomnożyć wartość
odchylenia odczytaną w działkach (obliczeniowych), aby otrzymać wartość
wielkości mierzonej w odpowiednich dla niej jednostkach miary. Stałą
podziałki oblicza się dzieląc zakres pomiarowy przyrządu przez liczbę działek.
Zakres pomiarowy Xn jest różnicą wartości wielkości mierzonej
odpowiadających maksymalnemu i minimalnemu odchyleniu organu
ruchowego (w zakresie poprawnej pracy).
Xn = Xko -Xpo
Xko – wartość wielkości mierzonej odpowiadająca końcowi podziałki, Xpo –
wartość wielkości mierzonej odpowiadająca początkowi podziałki.
Błąd paralaksy jest to błąd odczytu wartości przedstawionej na miernikach
analogowych.
Specjalny kształt wskazówki (wskazówka nożowa) oraz lusterko
umieszczone w podzielni pozwalają na ograniczenie błędu paralaksy, który
powstaje wówczas, gdy kierunek obserwacji nie jest prostopadły do podzielni.
Jeśli podczas odczytu wskazówka nakrywa swoje odbicie w lusterku, kierunek
ten jest prostopadły i błąd paralaksy nie występuje.
Powstawanie błędu paralaksy.
1 – poprawny kierunek odczytu, 2 – błędny kierunek odczytu, 3 – wskazówka,
4 – podzielnia, ∆p – błąd paralaksy.
Klasa dokładności miernika jest wielkością wyrażona liczbą, określającą
największy dopuszczalny błąd względny procentowy pomiaru w warunkach
znamionowych, odniesiony do zakresu pomiarowego.
Klasę dokładności wyznacza się doświadczalnie przez wprowadzenie na
wejście miernika szeregu wzorcowych wartości wielkości mierzonej,
odczytanie poszczególnych wskazań i obliczenie wartości błędów
bezwzględnych ∆. Wyznaczenie tych błędów musi być przeprowadzone w
ściśle określonych warunkach, największą wartość (bezwzględną) błędu
bezwzględnego podstawia się do wzoru:
kl =
(∆x ) 100%
Xn
w którym ∆x oznacza największy błąd bezwzględny pomiaru, a Xn oznacza
zakres pomiarowy, a otrzymany wynik zaokrągla się w górę do wartości
określającej najbliższą klasę znormalizowaną.
Wyjątkowo dla mierników o podziałce bardzo nierównomiernej (omomierze,
mierniki współczynnika mocy) wartość błędu bezwzględnego w
poszczególnych punktach podziałki określa się w jednostkach długości
podziałki (a nie w jednostkach wielkości mierzonej) lub jednostkach kąta
odchylenia wskazówki i odnosi do całkowitej długości podziałki lub
maksymalnego kąta odchylenia. Klasę dokładności miernika określoną w ten
sposób oznacza się dodatkowym symbolem graficznym np.
Dla mierników, w których dokładność pomiaru praktycznie nie jest
zależna od wartości mierzonej (np. mierniki częstotliwości 45…55 Hz,
woltomierze 200…240 V), klasę dokładności określa maksymalny procentowy
błąd względny wyznaczony w zakresie pomiarowym
kl =
∆
max 100 = δ max
Xm
Tak określoną klasę wyróżnia się dodatkowym symbolem w formie okręgu.
Np.
Mierniki analogowe podzielono na dwie grupy:
- mierniki laboratoryjne o klasach dokładności 0,1; 0,1; 0,5 oraz
- mierniki techniczne o klasach dokładności 1; 1,5; 2,5; 5.
Przykładowe zdjęcia mierników analogowych:
Watomierz
Woltomierz
Amperomierz
Miernik cyfrowy Metex M 3630.
Miernik cyfrowy Metex MXD 4660A.
Symbole graficzne mierników:
Watomierz
Miliamperomierz
Amperomierz
Woltomierz
Oznaczenia rodzaju przyrządów.
Rodzaj przyrządu Oznaczenie
Magnetoelektryczny
o ruchomej cewce
Magnetoelektryczny
ilorazowy
Rodzaj przyrządu
Oznaczenie
Wibracyjny
Termorozszerzalnościowy
Elektromagnetyczny
Ogniwo termoelektryczne
o grzaniu bezpośrednim
Ogniwo termoelektryczne
o grzaniu pośrednim
Miernik
magnetoelektryczny z
ogniwem
termoelektrycznym
Prostownik
Elektromagnetyczny
izolowany
Elektrodynamiczny
Elektrodynamiczny
izolowany
Ferrodynamiczny
Miernik
magnetoelektryczny
prostowniczy
Miernik
magnetoelektryczny z
lampą elektronową
Indukcyjny
Miernik
magnetoelektryczny z
fotonówką lub ogniwem
fotoelektrycznym
Indukcyjny
ilorazowy
Elektrolityczny
Zakresy pomiarowe mierników.
Miejsca
włożenia
przewodów
com
V
com
V
com
A
com
A
Zakres
Rodzaj miernika
DCV
ACV
DCA
ACA
Woltomierz napięcia stałego
Woltomierz napięcia przemiennego
Amperomierz prądu stałego
Amperomierz prądu przemiennego
Bibliografia.
Marek Pilawski „Pracownia elektryczna” (6)
Stanisław Bolkowski „Elektrotechnika” (4)
Roman Kurdziel „Elektrotechnika dla ZSZ”