Miernictwo Elektroniczne

Miernictwo Elektroniczne
Informatyka
INŻ
Wykład 13

Na poprzednim wykładzie…
– Rejestratory i oscylatory
– Impedancja elektryczna
– Pomiary napięć przemiennych
– Amperomierze prądów przemiennych
–Multimetry

Na obecnym wykładzie
–
–
–
–
Podstawowe parametry elektryczne elementów biernych
Pomiary parametrów elementów biernych (pomiary impedancji)
Moc czynna, bierna i pozorna oraz sposoby ich pomiaru
Pomiary wielkości nieelektrycznych
Miernictwo 1 – W13
2
Właściwości elementów biernych

Charakterystyki elementów biernych
– Rezystor idealny
(brak przesunięcia
fazowego między
napięciem i prądem)
U
R
I
Rys. Napięcie i prąd zmienny w idealnym rezystorze
Miernictwo 1 – W13
3
– Kondensator idealny
» pojemność elektryczna
q
C
U
» równanie w dziedzinie czasu
dq
du
i
C
dt
dt
» stosunek wartości skutecznych napięcia i prądu zmiennego
U sk
I
1  U

dla
sygnałów
harmonicznych





I sk C 2fC  I

Miernictwo 1 – W13
4
» przesunięcie fazowe między napięciem i prądem
zmiennym: -π/2(-90o)
Rys. Napięcie i prąd zmienny w idealnym kondensatorze
Miernictwo 1 – W13
5
– Kondensator rzeczywisty
» schemat zastępczy
(model elektryczny)
Rys. Schemat zastępczy kondensatora rzeczywistego
Miernictwo 1 – W13
6
» szeregowy i równoległy schemat zastępczy kondensatora
Rys. Szeregowy i równoległy schemat zastępczy
kondensatora rzeczywistego
» współczynnik strat D (tangens kąta stratności tgδ)
D  tg 
UR
 Rs Cs
UC
IR
1
D  tg 

I C Rr Cr
1
Cr  C s
1 D2
1 

Rr  Rs 1  2 
 D 
Miernictwo 1 – W13
7
– Cewka indukcyjna idealna
» strumień magnetyczny (indukcyjność L)
  iL
» równanie w dziedzinie czasu
d
di
u
L
dt
dt
» stosunek wartości skutecznych napięcia i prądu zmiennego
U sk
 L  2fL   U dla sygnałów harmonicznych 
I sk
 I

Miernictwo 1 – W13
8
» przesunięcie fazowe między napięciem i prądem
zmiennym: π/2(90o)
Rys. Napięcie i prąd zmienny w idealnej cewce
Miernictwo 1 – W13
9
– Cewka indukcyjna
rzeczywista
» schemat zastępczy
(model elektryczny)
Rys. Schemat zastępczy cewki rzeczywistej
Miernictwo 1 – W13
10
» szeregowy i równoległy schemat zastępczy cewki
Rys. Szeregowy i równoległy schemat zastępczy cewki rzeczywistej
» dobroć cewki Q (tangens kąta przesunięcia faz tgφ)
Q  tg 
U L Ls

UR
Rs
Q  tg 
IL
R
 r
I R Lr

1 
Lr  Ls 1  2 
 Q 
Rr  Rs (1  Q 2 )
Miernictwo 1 – W13
11
Pomiary impedancji

Mostki czterogałęźne
– Właściwości ogólne
Rys. Schemat mostka czterogałęźnego do pomiaru impedancji
Miernictwo 1 – W13
12
» warunek równowagi mostka
Z X Z3  Z 2Z 4
Z2Z4
ZX 
Z3
» możliwość wyznaczenia obu składowych nieznanej
impedancji Zx
Z X Z3  Z 2 Z 4
 x   3   2  4
Re( Z x Z 3 )  Re( Z 2 Z 4 )
lub
Im( Z x Z 3 )  Im( Z 2 Z 4 )
» wniosek: do zrównoważenia mostka impedancyjnego
należy zastosować dwa elementy regulowane
Miernictwo 1 – W13
13
– Mostki do pomiaru pojemności
» dobór schematu zastępczego kondensatora w oparciu o
jego strukturę
Rys. Mostek uniwersalny do pomiaru pojemności: a) szeregowy, b) równoległy
Miernictwo 1 – W13
14
– Mostki do pomiaru indukcyjności
Rys. Mostki do pomiaru indukcyjności
Miernictwo 1 – W13
15
– Mostki transformatorowe
» zastąpienie spadków napięć w ramionach mostka siłami
elektromotorycznymi wtórnych uzwojeń transformatora
» warunek równowagi mostka
E1 N1 U x Z x



E2 N 2 U w Z w
Zx  Zw
N1
N2
» zastąpienie stosunku
impedancji stosunkiem liczby
zwojów – większa dokładność
i powtarzalność wskazań
Rys. Mostek transformatorowy do
pomiaru impedancji
Miernictwo 1 – W13
16

Półautomatyczne i automatyczne pomiary
impedancji
– Mostki półautomatyczne (jeden z elementów
dostrajany ręcznie, drugi automatycznie)
– Przyrządy automatyczne (cyfrowe)
Miernictwo 1 – W13
17
Pomiary mocy sygnałów
harmonicznych

Definicje
– Moc chwilowa
p(t )  u (t )  i(t )
– Moc czynna (rozpraszana lub zamieniana na pracę,
energię, itp.)
1
P
T
t 0 T
 p(t )dt
[W]
t0
P  U sk I sk cos 
Miernictwo 1 – W13
18
– Moc pozorna (amplituda oscylacji mocy chwilowej)
S  U sk  I sk [VA]
– Moc bierna (moc przesyłana na przemian między
nadajnikiem i odbiornikiem)
Q  U sk  I sk sin [var]
– Związek między mocą pozorną, czynną i bierną
S 2  P2  Q2
– Współczynnik mocy: miara wykorzystania energetycznego
P
K p   cos 
S
Miernictwo 1 – W13
19
Rys. Pomiar mocy za pomocą watomierza
a) poprawny pomiar prądu źródła i napięcia odbiornika
b) poprawny pomiar napięcia źródła i prądu odbiornika
■ Pomiar mocy odbieranej
– pomiar mocy czynnej, biernej i pozornej
– sposób włączenia watomierza
Miernictwo 1 – W13
20

Pomiar mocy metodą absorpcyjną
– zasada pomiaru
U sk2 U V2
P

R
R
– regulacja R: wyznaczenie maksymalnej mocy oddawanej i
rezystancji dopasowania

Pomiary energii elektrycznej
– energia jest mocą czynną scałkowaną w czasie T
T
W  Pdt
0
Miernictwo 1 – W13
21
Pomiary wielkości nieelektrycznych

Czujniki i przetworniki wielkości fizycznych
– Przetwornik to urządzenie (lub element) odwzorowujący
wielkość wejściową na wielkość wyjściową w
zdefiniowany sposób
x y:
y  f m ( x)
Zwykle kilka przetworników łączonych jest szeregowo tworząc
łańcuch przetwarzania
– Czujnik to pierwszy element łańcucha przetworników mający
bezpośredni kontakt z polem pomiarowym i reagujący na
zmianę wielkości mierzonej
Miernictwo 1 – W13
22

Zalety elektrycznego pomiaru wielkości
nieelektrycznych
– analogowe przetwarzanie sygnału pomiarowego
(wzmacnianie, filtracja, itd.)
– przesyłanie sygnału na odległość
– przetwarzanie cyfrowe sygnału (obróbka matematyczna)
– sterowanie elektryczne obiektami


Idea pomiarów: zastosowanie przetworników
(czujników) wielkości nieelektrycznych na elektryczne
Typy czujników pomiarowych
– parametryczne
– generacyjne
Miernictwo 1 – W13
23
 Pytania
kontrolne
– Jakie zjawiska charakteryzują parametry elektryczne
elementów biernych Powstawanie obrazu w oscyloskopie
– Zasady pomiaru impedancji
– Co opisuje moc czynna, a co bierna; sposoby ich pomiaru
– Co to są czujniki i przetworniki
– Na czym polegają pomiary wielkości nieelektrycznych

Kolokwium (test wyboru)
czwartek, 29 stycznia
A-L: godz. 9:15
M-Ż: godz. 9:45
Należy przynieść coś do pisania i legitymację (lub indeks)

Wpis/termin poprawkowy
czwartek, 5 lutego, godz. ???
Miernictwo 1 – W13
24