Miernictwo elektryczne

Miernictwo elektryczne
Miernictwo elektryczne obejmuje zarówno pomiary kontrolne wielkości elektrycznych w obwodach, jak i pomiary innych wielkości, w których wy¬korzystywana jest energia elektryczna. W pierwszym wypadku do obwodu zo¬stają bezpośrednio włączone mierni¬ki takich wielkości jak napięcie, na¬tężenie, opór czy moc. W drugim - miernik mierzący taką wielkość, jak temperatura czy liczba obrotów, musi być zaopatrzony w prze¬twornik, aby badana wielkość mogła być przed¬stawiona za pomocą właściwych dla niej jednostek. Każdy miernik ma odpowiednią czułość i określony, dopuszczalny błąd pomiarowy. Istnieje bardzo wiele klas mierni¬ków w zależności od mierzonej wielkości bądź zasady działania.
Mierniki i jednostki
Podstawowymi wielkościami charaktery¬zującymi prąd elektryczny są napięcie (czyli różnica potencjałów w 2 dowolnych punktach obwodu) i natężenie (czyli wielkość przepływa¬jącego ładunku przez przewodnik o danym przekroju w jednostce czasu). Jednostką napię¬cia jest wolt (V), natomiast natężenia - amper (A). Pomiędzy obydwiema wielkościami wy¬stępuje zależność określona prawem Ohma, mówią¬ca, że natężenie przepływającego prądu jest wprost proporcjonalne do różnicy potencjałów i odwrot¬nie proporcjonalne do oporu panującego w prze¬wodniku (1 = U/R). Stąd jako trzecia wielkość pojawia się opór wyrażany w omach (Q); do je¬go pomiaru stosuje się omomierze. Ze względu na powyższą zależność woltomierze podłącza się do obwodu równolegle, a amperomierze sze¬regowo. Omomierze w zależności od typu po¬miaru mogą być podłączane szeregowo lub rów¬nolegle. Woltomierze cechuje duży opór własny, który łatwiej pozwala zmierzyć przepływający prąd (w myśl przekształconego wzoru Ohma U = IR). Amperomierze z kolei mają opór nie¬wielki, tak aby nie zakłócał pomiaru. Obecnie często stosuje się mierniki wielozadaniowe, jak choćby woltoamperomierze. Omomierze nato¬miast służą głównie do pomiaru oporu, ale mają również zastosowanie do pomiaru temperatury.
Rysunek 1

Rysunek 1
W licznikach elektrodynamicz¬nych prąd przepływający przez nie¬ruchomą zwojnicę działa na prąd płynący w wirniku. W wyniku tego powstaje moment obrotowy wpra¬wiający w ruch tarczę, której obroty rejestruje licznik

W miarę jej wzrostu lub spadku w danym materiale jego oporność wzrasta lub maleje. Prawo Ohma w tej postaci ma zastosowanie do prądu stałego. Jeśli chodzi o prąd zmienny, występuje w nim m.in. opór bierny i czynny, stąd owa za¬leżność przyjmuje bardziej skomplikowaną po-stać. Jednak nawet w tym przypadku stosuje się mierniki o podobnej budowie. Oprócz wymienionych bardzo ważną grupę stanowią mierniki do pomiaru energii przepły¬wającej w sieciach energetycznych. Na¬leżą do nich liczniki kilowatogodzin, znane z gospodarstw domowych. Do mierzenia przepływu większych ilości energii w liniach przesyłowych stosuje się potężne liczniki mega- i gigawato¬godzin. Takie liczniki oprócz elektrow¬ni zainstalowane są na granicy kraju, w punktach przesyłu energii. Dzięki te¬mu można określić ilość eksportowanej lub importowanej energii i wymiar na¬leżności celnych.

Rysunek 2

Rysunek 2
W licznikach elektrodynamicz¬nych
prąd przepływający przez nie¬ruchomą zwojnicę działa na prąd płynący w wirniku. W wyniku tego powstaje moment obrotowy wpra¬wiający w ruch tarczę, której obroty rejestruje licznik

Przyrządy tradycyjne
Do najprostszych typów mierni¬ków elektrycznych należą elek¬tromechaniczne mierniki analo-gowe, zwane potocznie mierni¬kami wskaźnikowymi. Ich zasad¬niczy element stanowi ruchoma wskazówka umocowana na osi, do której przymocowane są sprężynki przeciwdziałające niekontrolowanym wychy¬leniom wskazówki. Oprócz tego każdy z mierni¬ków ma nieruchomy układ mierniczy, przez który może przepływać prąd. W chwili gdy prąd zaczyna płynąć, wskazówka wychyla się, pokonując opór sprężynek. W tym mo¬mencie energia elektryczna ulega zamianie na mechaniczną. Kąt wychylenia wska¬zówki określa mie¬rzoną wielkość w jednostkach po- danych na tarczy za wskazówką. W now¬szych typach mierników zamiast wskazówki znajduje się zwierciadełko, od którego odbija się promień świetlny. To właśnie ono ustawia się pod wpływem przepływającego prądu pod odpowiednim kątem, a promień świetlny wskazuje mierzoną wielkość.


Rysunek3

Rysunek 3

W galwanometrach lusterkowych zwier¬ciadełko zawieszone na cienkiej taśmie z brą¬zu fosforowego tylko nieznacznie odchyla się w czasie przepływu prądu. Za pomocą tych przyrządów można mierzyć prądy o małych natężeniach.

Nieco teorii

W zależności od zjawiska fizycznego wyko¬rzystywanego w układzie mierniczym wyróżnia się wiele typów mierników elektrycznych. Jednym z nich jest miernik magnetoelektryczny. Jego zasa¬da działania pierwotnie opierała się na wpływie stałego pola magnetycznego na przewodnik (naj¬częściej w postaci ruchomej zwojnicy), przez który przepływał prąd. Ponieważ wychylenie wskazówki zależało od kierunku przepływu prądu zgodnie z regułą lewej dłoni, mierniki te nadawały się do pomiarów prądu stałego. Zastosowanie pro¬stownika (początkowo w postaci prostownika sty¬kowego) umożliwiło wykorzystanie ich również do pomiarów prądu zmiennego. Obecnie mierniki magnetoelektryczne mają wbudowany przetwor¬nik termoelektryczny, pozwalający na dokonywa¬nie pomiarów natężeń i napięć prądów wysokiej częstotliwości. Do najczulszych mierników ma¬gnetoelektrycznych należą galwanometry, które wykrywają prądy o bardzo małym natężeniu. Chcąc uniknąć wahań wskazówki bądź lusterka, często sięje obciąża, aby zwiększyć ich bez¬władność. Takie galwanometry noszą na¬zwę balistycznych. Z racji dużej czułości mierniki te znajdują zastosowanie w labora¬toriach jako woltomierze i amperomierze.
Mierniki elektromagnetyczne składają się z nieruchomej cewki i ruchomego rdze¬nia z miękkiej stali. Prąd przepływający przez cewkę wzbudza prąd w rdzeniu, a ten z kolei przenosi moment obrotowy na wskazówkę. Dawniej stosowano w tych miernikach zamiast rdzenia układ płytek żelaznych, z których jedna była przytwier¬dzona do osi wskazówki (płytka ruchoma), druga natomiast przymocowana do cewki (płytka nieruchoma). Obie namagnesowy¬wało jednobiegunowo (jednoimiennie) po¬le cewki. Prąd płynący przez zwojnicę po¬ruszał płytką umieszczoną na osi, która po¬wodowała wychylenie wskazówki. W tych typach mierników ruchome płytki często mimowolnie drgały, stąd dodatkowym ele¬mentem ich wyposażenia były tłumiki drgań.

Rysunek 4


Rysunek 4
Przyrządy elektromagnetyczne są dość wszechstronne. JedynYll1 warun¬kiem ich sprawnej pracy jest nierucho¬ma cewka dająca odpowiednio silne pole magnetyczne, zdolne do namagnesowa¬nia żelaznych płytek lub rdzenia z mięk¬kiej stali. W czasie przepływu prądu ru-choma płytka albo rdzeń wprawiają w ruch wskazówkę - jej wychylenia określają
mierzoną wielkość

Mierniki elektromagnetyczne, podobnie jak aparaty poprzedniej grupy, można stosować do pomiarów prądu stałego. Jako równie czułe często są stosowane w laboratoriach testujących rozmaite urządzenia, jak choćby silniki elektryczne.
Kolejna grupa mierników to przyrządy elektrodynamiczne wyposażone w układ 2 zwojnic - ruchomej i nieruchomej . Prądy przepływające przez obie cewki działają na siebie w sposób dynamiczny, dzięki czemu w cewce ruchomej powstaje moment obro¬towy poruszający wskazówkę lub zwiercia¬dełko. Moment obrotowy jest w tych miernikach proporcjonalny do iloczynu natężeń prądów płynących w cewkach i on decyduje o wyniku od¬czytu. Wada mierników elektrodynamicznych ¬wrażliwość na oddziaływania zewnętrznych pól magnetycznych - wymusza umieszczanie ich w osłonie magnetycznej. Odmianę aparatów tego\' typu stanowią przyrządy astatyczne, składające się z 2 systemów elektrodynamicznych (układów cewek), w których prądy skierowane są przeciw¬nie. Dzięki temu wpływ zewnętrznego pola ma¬gnetycznego jest znoszony. Tego typu instrumen¬ty nadają się również do pracy w instytutach ba¬dawczych jako woltomierze, amperomierze i wa¬tomierze (do pomiaru mocy).
Zbliżoną klasą mierników są mierniki fer¬rodynamiczne. W nich również najważniejszy jest układ 2 cewek, tyle że nieruch ornych i na¬winiętych na rdzeń żelazny, dzięki czell1U wy-twarzają znacznie silniejsze pole magnetyczne. Dzięki dużej dokładności pomiaru stosuje się je jako mierniki przenośne oraz tablicowe, umie¬szczane w pulpitach rozdzielczych.

Rysunek 5

Rysunek 5
W miernikach elektrodynamicznych mo¬ment obrotowy poruszający wskazówkę lub zwierciadełko powstaje wskutek oddziały¬wania na siebie prądów płynących w ukła¬dzie 2 zwojnic - ruchomej i nieruchomej
Ku Nowoczesności
Oko magiczne znane już w latach pięćdzie¬siątych XX wieku było zapowiedzią nowej ery w miernictwie elektrycznYll1. Składało się z prostej lampki elektronicznej, której anodę pokrywano materiałem fluoryzującym. Anoda jarzyła się pod działaniem padających na nią elektronów. Po doprowadzeniu napięcia do siat¬ki lampy natężenie jarzenia ulegało zmianie, co wskazywało na przepływ przez badany obwód prądu. Niestety, lampka mogła być stosowana jedynie jako wskaźnik pojawienia się napięcia, bez określania jego wysokości.
Współcześnie oprócz dawnych typów mier¬ników elektromechanicznych stosuje się elektro-niczne mierniki analogowe oraz elektroniczne mierniki cyfrowe. Pierwsze z nich są zbliżone pod względem budowy do miemików magneto¬elektrycznych, ale dodatkowo mają elektronicz¬ny układ wzmacniający, zwiększający znacznie precyzję pomiaru. Z tego względu przyrządy te potrzebująjeszcze jednego źródła zasilania. Dru¬gi typ miemików, na wskroś nowoczesny, nie ma żadnych ruchomych wskazówek czy zwiercia¬deł, a jedynie elektroniczne podzespoły cyfrowe i analogowe, bezpośrednio dokonujące wszel¬kich pomiarów w obwodzie. Ich wynik pokazy¬wany jest za pomocą układu digitronów (specjal¬nych lamp elektronowych) lub na ekranie ciekło¬krystalicznym, co eliminuje błędy odczytu.
Oprócz mierników i liczników energii ist¬nieje wiele pomocniczych aparatów mierni¬czych, jak transformatory, pozwalające wielo¬krotnie zmniejszyć napięcie płynącego prądu, kompensatory, oporniki wzorcowe i wiele in¬nych. Miemictwo elektroniczne kontrolowane przez komputery ma niewątpliwie przyszłość. Zapewne jednak w domach, pracowniach szkolnych i niewielkich zakładach przemysło¬wych długo jeszcze będą funkcjonować stare wypróbowane woltomierze, amperomierze i in¬ne mierniki ze wskazówką lub lusterkiem.