Elektrické měřicí přístroje – I. dílMěřidlo elektromagnetické soustavy s plochou cívkou: Do cívky, kterou prochází elektrický proud, je vtahováno ocelové jádro. Zde vidíte náčrt měřicího přístroje, u kterého je uvedeného poznatku využito. Proud z přívodních svorek S₁ a S₂ je veden do cívky C. Cívka je plochá. Také jádro J z měkké oceli je ploché. Je otáčivě upevněno kolem osy O. V klidové nulové poloze je jádro drženo nad dutinou cívky protizávažím P. Na hřídeli je ještě ručka R, která ukazuje na stupnici. Procházející proud vytvoří v cívce magnetické pole, které vtahuje jádro do cívky. Magnetická síla musí při tom překonat jinou sílu: váhu protizávaží. Protože velikost pootočení jádra je jen přibližně úměrná velikosti procházejícího proudu, není stupnice rovnoměrná. Výhodné je, že na téže stupnici měříme hodnoty stejnosměrného i střídavého proudu. Má-li cívka málo závitů tlustého drátu, hodí se měřidlo jako ampérmetr, má-li mnoho závitů tenkého drátu, hodí se na voltmetr. Měřidlo zveme elektromagnetické s plochou cívkou. Protože jeho konstrukce je jednoduchá, můžete se pokusit zhotovit takové měřidlo pro „Soutěž tvořivosti mládeže“.+27Měřicí ústrojí elektromagnetické soustavy s kruhovou cívkou: Je známo, že dva ocelové plíšky se v magnetickém poli dutiny cívky souhlasně zmagnetují, a proto se odpuzují. V měřidle je jeden plíšek pevně spojen s cívkou, druhý pohyblivý je spojen s ručkou. Zmagnetování a odpuzování plíšků je přibližně úměrné velikosti proudu, který prochází cívkou. Do nulové polohy vrací ručku spirálová pružina. Také u tohoto měřidla je stupnice nerovnoměrná, směrem k nule se dílky zmenšují. Na levém obrázku je schematicky vyznačen princip měřicího ústrojí. Pravý obrázek ukazuje měřicí systém rozložený. Pevný ocelový plíšek je v dutině cívky, a není proto vidět. Pohyblivý plíšek je dobře viditelný. V pravém rohu je značka tohoto druhu měřidla.Elektromagnetické měřidlo: Na levém obrázku vidíte průřez elektromagnetickým měřidlem. V dutině cívky jsou zřetelně vidět dva plíšky – pevný i pohyblivý. Vpředu je vidět spirálová pružina, která vrací ručku po skončeném měření do nulové polohy. Na pravém obrázku je velké (tzv. demonstrační) elektromagnetické měřidlo, jakého se používá například při školních pokusech.Použití elektromagnetického měřidla: Konstrukce elektromagnetického měřidla je jednoduchá a vydrží značné přetížení i hrubá zacházení. Protože lze tímto měřidlem měřit také střídavý proud, používá se ho běžně v elektrovodné síti. Na obrázku vidíte elektromagnetická měřidla na panelu velké měnírny našich železnic. Protože elektrický vlak odebírá značný proud, ukazují měřidla kiloampéry (kA), tj. tisíce ampérů.Magnetoelektrická měřicí ústrojí: Nejrozšířenější jsou měřidla s otáčivou cívkou. Nazývají se magnetoelektrická měřidla nebo krátce deprézská. Tento zkrácený název vznikl z jména jednoho z dvou konstruktérů tohoto měřicího systému. Byli to Depréz a d’Arsonval. Na levém obrázku je schematická kresba tohoto měrného ústrojí. Základní součástí je magnet M. Aby magnetické siločáry byly soustředěny do malého prostoru, jsou mezi póly magnetu jednak pólové nástavce N, jednak váleček V z měkké oceli. Mezi nástavci a válečkem je dutina tvaru dutého válce. V této mezeře se pohybuje cívečka C navinutá na lehkém hliníkovém rámečku. Na rámečku jsou ještě dvě krátké osy, jejichž hroty jsou uloženy v ložiskách. V nulové poloze drží cívečku a tím i ručku dvě spirálové pružiny, jimiž se také přivádí proud do cívečky. Jsou obyčejně z fosforového bronzu. Při měření jde proud cívečkou. Magnetické pole v dutině a magnetické pole cívky na sebe působí, cívka přemáhá pružinu a pootočí se. Na hřídeli je připevněna ručka. Je zřejmé, že konstrukce tohoto měrného ústrojí je složitá a vyžaduje velmi pečlivou a přesnou práci při sestrojování a opatrnost při používání. Výchylka ručky je přímo úměrná velikosti proudu v cívečce, a proto je stupnice měřidla rovnoměrně dělená. Lze udělat měrný systém tak citlivý, že k plné výchylce ručky o 90° stačí nepatrný proud asi 10 miliontin ampéru. Nevýhodou je, že měřidlem s tímto měrným systémem lze měřit jen stejnosměrný proud. Na pravém obrázku je fotografie deprézského měrného ústrojí školního demonstračního měřidla. Značka magnetoelektrického měřidla je v kruhu.Deprézská měřidla: Z magnetoelektrického měrného ústrojí lze zkonstruovat voltmetr nebo ampérmetr. Na obrázku nahoře jsou dva deprézské voltmetry (s rozsahem 6 voltů a 5 voltů) a dole tři deprézské ampérmetry (s rozsahem 1 miliampér, půl miliampéru, 5 ampérů).Konstrukce deprézského voltmetru: V továrně se nejprve vyrobí samotný měrný systém. Každý měřicí systém má určitý základní rozsah. Jako příklad uvedeme, že bychom měli systém, který by po připojení na napětí 1 V ukazoval plnou výchylku. A při této plné výchylce by procházel systémem proud 1 miliampér. Je tedy v našem případě základní napěťový rozsah 1 V, základní proudový rozsah 1 miliampér. Z toho vypočteme podle Ohmova zákona i odpor systému. Je 1000 ohmů. Nyní bychom byli postaveni před úkol udělat z tohoto měřidla voltmetr s rozsahem 100 voltů. Podívejte se na levý obrázek. Jsou na něm dva odpory spojené za sebou. Víte, že se celkové napětí na nich rozdělí na oba odpory tak, že na větším odporu je větší část celkového napětí. Nahraďme dolní odpor naším měrným systémem, o kterém víme, že na něm smí být nejvýš 1 volt. To je na pravém obrázku. Protože celkové přiváděné napětí při měření bude 100 voltů, musí být na horním odporu 99 voltů. Takovému odporu, s jehož pomocí zvětšujeme rozsah voltmetru, říkáme předřadný odpor. Jaká bude v našem případě jeho velikost? Jeden volt je na odporu měřicího systému 1000 ohmů, tedy 99 voltů musí být na odporu 99 krát 1000 ohmů, tj. 99 000 ohmů. Velikost předřadného odporu musí být v našem případě 99 kiloohmů, a jeho sériovým připojením získáme z daného měrného systému voltmetr na 100 voltů.Předřadný odpor voltmetru: Podíváme se na některý voltmetr určený pro měření vyšších napětí. Voltmetr na obrázku má rozsah 800 voltů. Na zadní straně pouzdra měřidla vidíte předřadný odpor. Je vinutý z tenkého drátu, který svůj odpor nemění ani stárnutím, ani změnou teploty. Vhodná je slitina zvaná konstantan. Jeho jméno ukazuje, že i v různých fyzikálních podmínkách je jeho odpor konstantní, stálý, neproměnný.Schéma zapojení vícerozsahového voltmetru: Předřadíme-li před měrný systém několik předřadných odporů, dostaneme vícerozsahový voltmetr. Udělá se to dvojím způsobem. Buď je pro každý rozsah jiný předřadný odpor tak, jak je uvedeno na obrázku a), nebo jsou odpory seřazeny do řetězce tak, jak vidíte na obrázku b). Druhého způsobu se používá hojněji. Odpory musí být ovšem vypočítány přesně pro každý rozsah. Vícerozsahové voltmetry jsou oblíbeny v laboratořích, kdežto jednorozsahové montujeme do přístrojů, na panely apod. Vícerozsahový voltmetr umožňuje jediným přístrojem měřit různě velká napětí velmi přesně.Vícerozsahové voltmetry: Na obrázku je pohled na dva dvourozsahové voltmetry. Levý má rozsah 400 a 800 voltů, pravý 65 a 130 voltů. Do kterých svorek zapneme přívodní dráty, měříme-li na rozsahu 65 voltů? (Při měření na rozsahu 65 voltů: pravá svorka a prostřední, při měření na rozsahu 130 voltů: obě krajní svorky.)Rozšíření rozsahu ampérmetru: Měrný systém lze také upravit pro různé proudové rozsahy, tedy na ampérmetr. Vezměme za příklad úpravu téhož měrného systému, u kterého jsme uvažovali úpravu na vícerozsahový voltmetr. Jeho základní rozsahy byly: 1 volt, 1 miliampér, 1000 ohmů. Tento systém chceme upravit například pro měření proudu 1 ampéru. Měrným systémem smí z celkového měřeného proudu 1 ampér procházet jen 1 miliampér. Zbytek proudu, tj. 999 miliampérů, musí procházet paralelně připojeným odporem, tzv. bočníkem. Má-li bočníkem procházet proud 999 krát větší než měrným systémem, musí mít odpor 999 krát menší. Protože odpor systému je 1000 ohmů, musí být odpor bočníku 1000 ohmů děleno 999, tj. něco málo přes 1 ohm. Pomocí podobné úvahy můžeme každý měrný systém upravit na ampérmetr s libovolným rozsahem.Ampérmetr s bočníkem: Zde vidíme bočník ampérmetru s rozsahem do 500 ampérů. Také bočníky je nutno zhotovit z konstantanu. Dráty bočníku mají vždy větší průměr, aby se bočník při provozu příliš nezahříval, i když jím prochází značný proud. Na našem obrázku je bočník dokonce z konstantanových tyčí. Kdyby se totiž bočník při měření spálil, spálilo by se okamžitě i měřidlo, protože celý měřený proud by procházel měřidlem.Schéma vícerozsahového ampérmetru: Rozdělením bočníku lze zkonstruovat jednoduchý vícerozsahový ampérmetr. Na levém obrázku má bočník odbočky pro další proudové rozsahy. Častější způsob je na pravém obrázku: místo odboček se bočník rozdělí na jednotlivé části.Vícerozsahový ampérmetr: Vícerozsahové ampérmetry jsou oblíbeny v laboratořích, protože jediným měřidlem můžeme přesně měřit velikosti proudů ve velkém rozsahu. Na obrázku je laboratorní dvourozsahový ampérmetr pro rozsah 2 a 10 ampérů.Schéma kombinovaného měřidla: Ukázali jsme, že z téhož měrného systému lze pomocí přesně vypočtených odporů sestavit buď vícerozsahový ampérmetr nebo vícerozsahový voltmetr. Lze dokonce sestavit kombinované měřidlo pro měření proudu i napětí. Na schematickém obrázku vidíme pod značkou měrného systému kombinovaný bočník. Vpravo je řetěz předřadných odporů. I takové kombinované přístroje jsou časté v laboratořích. Říkáme jim voltampérmetry.Školní demonstrační voltampérmetry: Na obrázku jsou školní demonstrační voltampérmetry. U levého přístroje se na svorkovnici přepínají napěťové rozsahy 1 volt, 10 voltů, 100 voltů. Připojením přístroje na správné svorky především volíme proudový rozsah 10, 100 miliampérů, 1, 10 ampérů. Toto měřidlo je velmi pohotové pro různé pokusy v nauce o elektřině. Jen při měření musíme být vždy pamětlivi toho, který rozsah jsme zapojili. Tím předejdeme nepříjemné chybě při odečítání hodnot. U vícerozsahových přístrojů je číslování stupnice jen pomocné a při měření je nutno dobře uvažovat o správné hodnotě výsledku. Na pravém obrázku je novější školní demonstrační voltampérmetr. U něho se změna rozsahu spojuje s výměnou celé stupnice. Je proto u něho odečítání hodnot na stupnici snazší.Měřidlo s usměrňovačem: Uvedenými deprézskými měřidly lze měřit jen stejnosměrné hodnoty. Avšak i tento nedostatek můžeme odstranit: před měřidlo zařadíme usměrňovač. Nejvíce se pro tento účel dnes používá usměrňovačů polovodičových: selénových, kuproxových nebo germaniových. Protože propouštějí proud jen jedním směrem, měřidlem prochází stejnosměrný proud, ovšem pulzující. Jeho průměrnou hodnotu ukáže výchylka ručky. Měříme-li týmž měřidlem i stejnosměrný proud, musí mít měřidlo dvojí stupnici, jednu pro měření stejnosměrných, druhou pro měření střídavých veličin. Na obrázku je schematicky naznačeno zapojení nejjednoduššího měřidla s usměrňovačem. Největší výhodou tohoto zapojení je, že lze takto zkonstruovat kombinované měřidlo pro měření obou druhů proudů i napětí. Deprézské měřidlo, do něhož je vestavěn usměrňovač, má pod pravým okrajem stupnice takovou značku, která je uvedena dole v kruhu.AVOMET, AVO-M: Zde jsou dvě z nejpoužívanějších měřidel tohoto typu. Obě jsou výrobkem n. p. METRA v Blansku. Levý je tzv. AVOMET. Běžně se ho používá v laboratořích, v opravnách elektrických přístrojů i ve školních laboratořích. Na pravém obrázku je přístroj AVO-M. Je levnější, není vybaven přepínačem rozsahů, ale má nad stupnicí řadu zdířek. Podle požadavku rozsahu měření je nutné vybrat vhodné zdířky, do kterých zapojujeme vedení. Je proto u každé zdířky vyznačeno, pro který je rozsah. U obou měřidel je dvojí stupnice. Dolní je dělena rovnoměrně a je pro měření stejnosměrných hodnot, horní je pro střídavé hodnoty.Měření napětí AVOMETem: A nyní něco o správném používání měřidla AVOMET. Zde vidíme správné zapojení AVOMETu při měření napětí. Před připojením měřeného obvodu zkontrolujeme, zda pravý (napěťový) přepínač je v nejvyšší poloze, tj. na rozsahu 600 voltů. Dolní střední přepínač musí být také ve správné poloze tak, jak ukazuje obrázek. Na levém obrázku je poloha tohoto přepínače při měření stejnosměrného napětí, na pravém pro střídavé napětí. Pak teprve připojujeme měřený obvod, a to tak, aby kladný pól byl na prostřední, záporný na pravé zdířce. Vidíme, že všechny ovládací prvky pro měření napětí jsou na pravé straně měřidla. Nyní sledujeme velikost výchylky ručky. Je-li malá, přepneme přepínač rozsahů do nižší polohy, až dosáhneme dostatečně velké výchylky ručky. Měření je zatíženo poměrně nejmenší chybou, je-li ručka za polovinou stupnice. Po skončeném měření přepneme přepínač rozsahů opět na nejvyšší rozsah. Je to požadavek opatrnosti.Měření proudu AVOMETem: Ovládací prvky pro měření proudu jsou na levé polovině měřidla. Před připojením proudového obvodu překontrolujeme přepínač proudových rozsahů, zda je v nejvyšší poloze (na rozsahu 6 A). Dolní přepínač je v poloze, kterou ukazuje obrázek: na levém obrázku vidíme jeho polohu při měření stejnosměrného proudu, na pravém při měření střídavého proudu. Teprve potom připojujeme proudový obvod do levé a prostřední zdířky tak, aby kladný pól byl na prostřední zdířce. Dále hledáme vhodný rozsah levým přepínačem tak, aby výchylka ručky šla přes polovinu stupnice. Po skončeném měření přepneme přepínač rozsahů do nejvyšší polohy. Přepínáním proudového přepínače chráníme měřidlo před proudovými nárazy nadměrným proudem. I nadměrný proud, který měřidlo nezničil, měřidlu vždy uškodí.Třída přesnosti měřidel: Často nás při měření zajímá, s jakou přesností měřidlo ukazuje výsledek. Měřidla dělíme do několika tříd přesnosti. Je-li třída přesnosti například 1,0 může být každá naměřená hodnota větší nebo menší o 1 % z plného rozsahu stupnice. Zde na obrázku je měřidlo třídy přesnosti 1,0 a s rozsahem 300 voltů. Jedno procento z celého rozsahu jsou 3 volty. Ručička měřidla ukazuje naměřenou hodnotu 220 V. Skutečná hodnota měřeného napětí může být v rozmezí 220 ± 3 volty, tj. 217 až 223 voltů. Měření je zatíženo poměrně větší chybou, měříme-li na témž měřidle malé hodnoty, například 25 voltů. Pak skutečná hodnota je mezi 22 až 28 volty. Proto se při měření snažíme, abychom měřili vždy až za polovinou stupnice, protože se tam tak výrazně chyba měřidla neuplatňuje. Třída přesnosti je uvedena pod pravým krajem stupnice měřidla číslicí. Čím je přístroj přesnější (tj. čím má nižší třídu přesnosti), tím šetrněji je nutné s ním zacházet a tím je dražší. Třídy přesnosti u běžných měřidel jsou: 1,0; 1,5; 2,5; u laboratorních: 0,1; 0,2; 0,5.Poloha přístroje při měření: Některé přístroje jsou určeny k měření ve svislé poloze, některé k měření ve vodorovné poloze. V určené poloze byl systém měřidla vyvážen a cejchován, proto v té poloze ukazuje s nejmenší chybou. Údaj o správné poloze měřidla je uveden mezi značkami pod pravým okrajem stupnice. Na našem obrázku jsou uvedeny příslušné značky. První značí, že přístroj má být při měření ve svislé poloze, druhá ve vodorovné poloze – jak je obvyklé v laboratoři.Regulace nulové polohy: Na počátku měření kontrolujeme, zda ručka měřidla ukazuje na nulu. Malé odchylky lze opravit regulačním šroubkem. Do zářezu regulačního šroubku nasadíme šroubovák a malým pootočením vpravo nebo vlevo nařídíme správnou nulovou polohu ručky.Zásady správného použití měřidel: Vybrat vhodné měřidlo: Chceme-li měřit, musíme vybrat vhodné měřidlo. Pro hrubé orientační měření je vhodnější měřidlo elektromagnetické, pro laboratorní měření měřidlo deprézské. Čím přesněji musíme měřit, tím nižší třídu přesnosti musí mít měřidlo. Měříme-li veličinu o zcela neznámé velikosti, použijeme nejprve měřidla s velkým rozsahem. Takové případy jsou však v praxi řídké. Obvykle zkušený pracovník již odhadem nebo přibližným výpočtem pomocí Ohmova zákona pozná, o jaké napětí nebo proud může jít v obvodu. Při měření ve školní laboratoři se vždy poradíme o měřidle se soudruhem učitelem.Opatrnost při měření ampérmetrem: Zvláště je třeba velké opatrnosti při měření ampérmetrem. Nezapomeňte, že ampérmetry mají vždy malý odpor, a proto jimi při nesprávném připojení můžeme udělat krátké spojení, které vede ke zničení měřidla. Proto vždy v sérii s ampérmetrem musí být spotřebič, a my můžeme měřit jen velikost proudu, který prochází spotřebičem. Poznáte, kde je na obrázku ampérmetr zapojen správně a kde nesprávně? (Levý ampérmetr v obvodu je nesprávně – zkratuje obvod).Co škodí měřidlu?: Měřidlu škodí hlavně: 1. přetížení, 2. prach a železné piliny, 3. blízkost střídavého magnetického pole, 4. otřesy a pády. Mějte to vždy na paměti, a měřidlo bude vždy přesně a spolehlivě měřit. (Ad 1: Měřidlo je přetížené: ručka je u zadní zarážky stupnice. Ad 2: Žák v dílně piluje a druhý vedle sňal kryt měřidla. Ad 3: V blízkosti pracujícího transformátoru nemá být měřidlo, je tam střídavé magnetické pole. Ad 4: Neopatrný žák shazuje loktem měřidlo se stolu.)Nesprávné použití měřidla v laboratoři: Nakonec jsme zařadili obrázek ze školní laboratoře, kde žák proměřuje elektrické hodnoty v rozhlasovém přístroji vlastní výroby. Protože to bylo ve škole, kde je síťové napětí 120 V, vidíte, že aparát byl napájen přes transformátor 120 V/220 voltů. Na obrázku je však zachyceno, jak se měřit nemá. Najdete všechny chyby, kterých se žák dopustil? (Chyby: 1. Měřidlo v magnetickém poli transformátoru. 2. AVOMET je určen k měření ve vodorovné poloze. 3. Dráty jsou vedeny přes stupnici měřidla a ztěžují měření. 4. Nepořádek na pracovišti. 5. Žák má ruce zaměstnány přidržováním banánků a nemůže přepínat rozsahy měřidla. 6. Žák vkládá popaměti banánky do přístroje, nehledí na ně – nebezpečí úrazu a zkratu!)Správné použití měřidla v laboratoři: Po našem upozornění bylo pracoviště upraveno. Nyní jsme spokojeni. A chceme být spokojeni vždy, až vás uvidíme při měření.׋›Elektrické měřicí přístroje IVýrobceDPrahaRok1961Délka31 okénekAutor textuVoráček MiroslavPředlohaELKTOznačení2328Další diafilmy výrobceHygiena bydlení na vesniciStavební konstrukce I - KomínyAtomová energie III.díl RadioisotopyBdělost a ostražitost
