VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 1

Měření elektrického napětí

Bc. David FURKA

• etalony napětí

• měření stejnosměrného napětí

• měření střídavého napětí

• měření pulsního napětí

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 2

Etalony napětí – Westonův článeketalon - referenční zdroj (U, I, …) defin. podm. [T,p,ρ]

- cejchování a kalibrace

Westonův napěťový článek- elektrochemický etalon- U20 = 1,0186 V- vnitřní odpor 500 ÷ 1000 Ω- max. zatěžovací proud 1 μA- rozsah teplot 4 ÷ 40 °C- malá tep. závislost -40 μV/°C- přesnost 10-5 až 10-6

- stabilita menší než 1 μV/rok- nesmí se naklápět a skratovat- citlivý na otřesy

Hg amalgam kadmia

krystaly CdS

roztok CdS

směs Hg a HgS

+ -

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 3

Etalon napětí se Zenerovou diodou

Normály s teplotně kompenzovanou Zenerovou diodou- diody a ZD opačné teplotní charakteristiky (u ZD ΔUF / Δ < 0)

- stabilita až 100 μV/rok

- použ: číslicová měřicí ústrojí a kalibrátory

- chyba napětí:

3R

UUI ZDrZD

1

21R

RUU ZDr

21 RRU r

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 4

Etalon napětí – Josephsonův jev

• kontakt dvou supravodičů se slabou vazbou

• elektromagnetické pole o frekvenci f0 101 GHz

• VA charakteristika má schodovitý charakter

• pro n-tý stupeň platí

• primární etalon

• stabilita 10-9

• velmi drahý

e

hnfU N

20

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 5

Souhrn metod měření DC napětí

• magel. MP 101 mV až 1000 V 1 až 50 kΩ/V

• měřicí napěť. zesil. 100 mV až 1000 V 10 MΩ/V

• modulační Vmetry 102 nV až 101 mV 10 MΩ/V

• kompenzační met. 100 μV až 101 V ∞ Ω

Metoda Měřicí rozsah Vnitřní odpor

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 6

Stejnosměrný voltmetr v obvodu

• voltmetr připojujeme paralelně k zátěži• odpor voltmetru zatěžuje obvod chyba metody

RV co největší!!!

Zvětšení rozsahu - předřadníkem

oVo

ooVmet U

RR

RUU

Vo

ometmet RR

R

SH

100100

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 7

Měřicí napěťové zesilovače s OZ

• velký vstupní odpor, malý výstupní odpor

• zesílí napětí, které nelze běžně měřit

invertující nap. zesilovač - výstupní napětí má opačnou polaritu

neinvertující nap. zesilovač – výst. napětí má souhlasnou polaritu

• přesnost omezena driftem 100 mV a nižší třeba použít automaticky nulované operační zesilovače

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 8

Invertující zapojení nap. zesilovače

0121 NIII

11

22 U

R

RU

[%]1001I

IN

N

II

• vstupní odpor roven R1

• výstupní odpor 0 Ω

Pro ideální OZ:

• pro skutečný OZ - IN≠0

zanedbáním vzniká chyba

NIRRAu 21

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 9

Neinvertující zapojení napěť. zesilovače

21

221 RR

RUU

UAUR

RUU *1 1

2

112

- předpokládáme-li ideální OZ

• vstupní odpor ∞ Ω• výstupní odpor 0 Ω

Pro vstupní a výstupní napětí platí:

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 10

MP s modulačním zesilovačemPrincip

malé DC napětí pulsní průběh AC zesílení zesílené DC napětí

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 11

Kompenzační metody měření napětí1. Metoda s úplnou kompenzací (kompenzační)• sériové zapojení měřeného zdroje a referenčního zdroje (odečítají se)

• citlivý Vmetr ukazuje rozdíl Ud= Ux - Ur zvyšováním Ur klesá Ud

• Ud = 0 Ux=Ur obvodem neteče proud R = ∞ Ω

2. Metoda s částečnou kompenzací (porovnávací)

rdX UUU

21

22 RR

RUU XR

VrR UUU 2

2

21

R

RRUUU VrX

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 12

Měření střídavého napětí• Vmetry pro průmyslové kmitočty• nf Vmetry• vf Vmetry• impulsní Vmetry

STŘÍDAVÝ VOLTMETR charakterizovány frekvenční

charakteristikou parametry v dokumentaci MP

][log20][5050

dBPP fdB

f

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 13

Střídavé voltmetry I.Voltmetry pro průmyslové kmitočty

• DC analog. nebo dig. Vmetry s usměrňovačem – měří Us,ukazuje Uef

• DC analog. nebo dig. Vmetry s termočlánkem – měří Uef,ukazuje Uef

• u neharmonických průběhů – nelze změřit Uef

• neuvažuje se vnitřní kapacita

Nízkofrekvenční voltmetry (širokopásmové)

• používají větš. operační usměrňovač (měří US, ukazuje Uef)

• kmitočtově kompenzované děliče, oddělovací kondenzátor

• kvalitní MP – RMS (převodník efekt. hodnoty – měří Uef, ukazuje Uef)

• U od mV do 103 V, f od 20 Hz do 100 MHz

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 14

Střídavé voltmetry II.Vysokofrekvenční voltmetry• DC elektronický voltmetr + vf sonda (snímá max. hodnotu napětí)

Selektivní vf mikrovoltmetr• snímá napětí konkrétní frekvence – naladí se pásmovou zádrží PZ

• spektrum signálů nastavíme kmitočet signálu, jehož amplitudu chceme měřit

• superponuje-li se do měřeného signálu o známé frekvenci rušení

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 15

Střídavé voltmetry III.Pulsní voltmetry

• nabití kondenzátoru sejmutí napětí Uc (amplituda)

• vybíjení kondenzátoru nutno zmírnit nebo potlačit zapojit sledovač napětí

VOŠ a SPŠ Varnsdorf Měření el. napětí 16

VektorvoltmetrMěří amplitudu a fázový rozdíl vůči referenčnímu napětí

uR – řídicí napětí (Ur převedeno na obdélník – bez fáz. pos. nebo o 90°)

ŘU – vynásobí Ux a uR,0 nebo uR,90

Po vynásobení ss složka, stříd. složka, další stř. složky (vyšších kmit.)

F – dolní propust – zadrží složky vyšších frekvencí

Výstup

• U2,0 - DC napětí úměrné činné složce (při ur,0)

• U2,90 - DC napětí úměrné jalové složce (při uR,90)

cos22

0,2 xUU